Gaz à effet de serre

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Mesure du CO₂ atmosphérique par l'observatoire de Mauna Loa à Hawaii.

Les gaz à effet de serre (GES) sont des composants gazeux qui absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre, contribuant à l'effet de serre. L'augmentation de leur concentration dans l'atmosphère terrestre est un facteur soupçonné d'être à l'origine du récent réchauffement climatique.

Un gaz ne peut absorber les infrarouges qu'à partir de trois atomes par molécule, ou à partir de deux si ce sont deux atomes différents.

Les principaux gaz à effet de serre qui existent naturellement dans l'atmosphère sont :

• la vapeur d'eau (H₂O) ;
• le dioxyde de carbone (CO₂) ;
• le méthane (CH₄) ;
• le protoxyde d'azote (N₂O) ;
• l'ozone (O₃).

Les gaz à effet de serre industriels incluent, outre les principaux gaz déjà cités ci-dessus, des gaz fluorés comme :

• les hydrochlorofluorocarbures, comme le HCFC-22 (un fréon) ;
• les chlorofluorocarbures (CFC) ;
• le tétrafluorométhane (CF₄) ;
• l'hexafluorure de soufre (SF₆).

Notes :

1. L'eau (sous forme de vapeurs ou de nuages) est à l'origine de 72 %, soit près de trois quarts de l'effet de serre total^[1].
2. Le dioxyde de carbone est le principal (en quantité) gaz à effet de serre produit par l'activité humaine, 74 % du total (tous modes d'émissions réunis)^[1].

Le mécanisme de l'effet de serre

Sous l'effet des gaz à effet de serre, l'atmosphère terrestre se comporte en partie comme la vitre d'une serre, laissant entrer une grosse partie du rayonnement solaire, mais retenant le rayonnement infrarouge réémis^[2]. Mais dans une serre il y a, en plus, l'absence de convection qui accentue l'échauffement de l'air.

La transparence de l'atmosphère (dans le visible) permet au rayonnement solaire d'atteindre le sol. L'énergie ainsi apportée s'y transforme en chaleur. Comme tout corps chaud, la surface de la Terre rayonne sa chaleur vers le fond du Ciel. Mais les GES et les nuages sont opaques aux rayons infrarouges émis par la Terre. En absorbant ces rayonnements, ils emprisonnent l'énergie thermique près de la surface du globe, où elle réchauffe l'atmosphère basse. Les nuages qui sont des particules de glace (ou d'eau liquide) réfléchissent le rayonnement solaire vers l'espace et le rayonnement terrestre vers elle sans changer leur longueur d'onde ^{[3][réf. nécessaire]}. Les nuages ont un effet sur le climat mal connu au début du XXI^e siècle car ils atténuent le rayonnement infrarouge reçu à la surface de la Terre ; mais ils participent à la réflexion vers la Terre du rayonnement infrarouge.

L'effet de serre, principalement dû à la vapeur d'eau^[4] (0,3 % en volume, 55 % de l'effet de serre) et aux nuages (17 % de l'effet de serre) soit environ 72 % pour H₂0^[1], porte la température moyenne à la surface de la Terre de -18 °C (ce qu'elle serait en son absence) à +15 °C. Une faible minorité affirme que seuls les nuages et non la vapeur d'eau H₂O ont un effet sur la température du globe^[5].

Émissions dues aux activités humaines

Les centrales thermiques à flamme causent une bonne part des émissions de GES (Ici la centrale thermique de Porcheville, Yvelines)

Les concentrations en gaz à effet de serre dans l'atmosphère augmentent depuis le XIX^e siècle^[6]. Le phénomène est probablement dû aux activités humaines, comme :

• L'utilisation massive de combustibles fossiles : en quelques dizaines d'années, des quantités importantes de dioxyde de carbone sont rejetées dans l'atmosphère, provenant du carbone accumulé dans le sous-sol depuis l'ère primaire. L'augmentation de la concentration de CO₂ dans l'atmosphère qui en résulte, peut être un facteur de réchauffement climatique. En 2007, le GIEC indique que l'homme semble être, avec une probabilité d'environ 90 %, responsable du changement climatique^[7]. Mais certains scientifiques et spécialistes du climat comme Roger A Pielke pensent que l'influence de l'homme sur le changement climatique est plus complexe que le seul accroissement du CO₂.

Les combustibles fossiles sont :

• le charbon
• les produits pétroliers
• le gaz naturel

• La déforestation : une forêt mature est un réservoir important de carbone. La disparition de surfaces toujours plus grandes de forêt au profit de cultures ou de pâturages (emmagasinant une quantité moindre de matière organique), a pour effet d'augmenter les rejets de CO₂ dans l'atmosphère. En effet, la pousse de jeunes arbres ne peut plus absorber autant de carbone qu'en génère la dégradation des arbres morts.
• l'utilisation des CFC dans les systèmes de réfrigération et de climatisation (réglementée par le Protocole de Montréal) conduit aussi à des rejets préoccupants, notamment du fait de durées de vie dans l'atmosphère particulièrement longues^{[réf. nécessaire]}.
• Le protoxyde d'azote et le méthane sont également pris en compte dans les accords internationaux.
• La non prise en compte de l'ozone dans les accords internationaux est due à des difficultés pratiques et non à une absence d'influence sur le climat^[8]. Il faut signaler que l'ozone stratosphérique joue un rôle essentiel de protection contre les rayonnements ultraviolets, et son rôle est important en tant que filtre.
• Les rejets de méthane^[9] non naturels sont dus principalement aux ruminants et aux surfaces inondées telles les rizières .On peut imputer à l'augmentation du cheptel de bovidés^[10] comme aux décharges, une augmentation des émissions de méthane. Or ce gaz, même s'il se dégrade assez rapidement en CO₂, présente un forçage radiatif supérieur et donc un potentiel de réchauffement global accru. Inversement, quand le méthane produit peut être valorisé, il constitue un combustible propre et renouvelable.

Le Protocole de Kyoto s'était donné comme objectif de stabiliser puis réduire les émissions de GES afin de limiter le réchauffement climatique^[11].

Emissions naturelles

• Le volcanisme, source de CO₂.
• Les rejets de méthane naturels par les animaux, tels les termites.
• Les surfaces inondées (estuaires, marais) produisent du méthane naturel en lieu et place du CO₂

Le potentiel de réchauffement global

Dans le premier graphique, les émissions sont pondérées par le potentiel de réchauffement global de chaque gaz (avec 72 % de CO₂, 18 % de méthane, 9 % d'oxydes d'azote et 1 % d'autres gaz). Attention, les émissions de avions et du transport maritime, et les « émissions grises » ne sont pas intégrées dans ce type de graphique.

Chaque GES a un effet différent sur le réchauffement global. Par exemple, sur une période de 100 ans, un kilo de méthane à un impact sur l'effet de serre 25 fois plus fort qu'un kilo de CO₂ ^[19]. Alors pour comparer les émissions de chaque gaz, en fonction de leur impact sur les changements climatiques on préfère utiliser des unités communes : l'équivalent CO₂ ou bien l'équivalent carbone; plutôt que de mesurer les émissions de chaque gaz.

L'équivalent CO₂ est aussi appelé potentiel de réchauffement global (PRG). Il vaut 1 pour le dioxyde de carbone qui sert de référence. Le potentiel de réchauffement global d'un gaz est la masse de CO₂ qui produirait un impact équivalent sur l'effet de serre. Par exemple, le méthane a un PRG de 25, ce qui signifie qu'il a un pouvoir de réchauffement 25 fois supérieur au dioxyde de carbone^[20].

Il n'y a pas de PRG pour la vapeur d'eau : la vapeur d'eau en excès réside moins de 2 semaines dans l'atmosphère, dont elle est éliminée par précipitation. Sa contribution au réchauffement sur 100 ans est négligeable.

Pour l'équivalent carbone, on part du fait qu'un kg de CO₂ contient 0,2727 kg de carbone. L'émission d'un kg de CO₂ vaut donc 0,2727 kg d'équivalent carbone. Pour les autres gaz, l'équivalent carbone vaut :

équivalent carbone = PRG x 0,2727

On peut noter que la combustion d'une tonne de carbone correspond bien à l'émission d'une tonne équivalent carbone de CO₂, car le rapport est de 1:1 (il y a un atome de carbone C dans une molécule de CO₂).

Cette unité de mesure, utile pour comparer les émissions produites, est utilisée dans la suite de cet article.

Mesure des émissions

N.B. la biosphère représente 540 à 610 Gt de carbone ; le sol en retient de 1 500 à 1 600 Gt ; les océans en séquestrent 38 000 à 40 000 Gt, la lithosphère de 66 000 à 100 000 Gt.

Le 3 novembre 2006, l’Organisation météorologique mondiale (OMM) confirmait que les concentrations mondiales de CO₂, loin de diminuer, et en dépit du protocole de Kyoto, continuent d'augmenter^{[réf. nécessaire]} :

• La teneur moyenne de l'atmosphère en CO₂ était de 379,1 parts par million (ppm) (0,5 % de plus qu'en 2004, et environ + 2,9 % depuis 1993). Mais bien que les émissions de dioxyde de carbone aient plus que doublé depuis 1970, la teneur en CO₂ n'a augmenté que de 15 % depuis lors. Le taux d'augmentation est très variable d'une année sur l'autre^[22].
• Le protoxyde d'azote (N₂O) a également augmenté passant à 319,2 ppb, (0,2 % de plus qu’en 2004, et 2,5 % de plus depuis 1993).

Depuis 2006, la Chine a dépassé les États-Unis pour les émissions de gaz à effet de serre. Les émissions de dioxyde de carbone de la Chine sont de 1,8 milliard de Tonnes Équivalent Carbone, contre 1,59 milliard de tonnes pour les États-Unis, 432 millions de tonnes pour la Russie et 430 millions de tonnes pour l’Inde^[23].

En France, les émissions ont diminué de 2 % entre 2006 et 2007 (103 millions de Tonnes Équivalent Carbone), mais surtout grâce au progrès dans le secteur résidentiel/tertiaire (- 7,8 %) et grâce à une météo particulièrement clémente^{[réf. insuffisante][25]}.

Durée de séjour

Hormis la vapeur d'eau, qui est évacuée en quelques jours^{[réf. nécessaire]}, les gaz à effet de serre mettent très longtemps à s'éliminer de l'atmosphère. Étant donné la complexité du système atmosphérique, il est difficile de préciser la durée exacte de leur séjour^[26]. Ils peuvent en être réduits de plusieurs manières :

• par une réaction chimique intervenant dans l'atmosphère : le méthane, par exemple, réagit avec les radicaux hydroxyle naturellement présents dans l'atmosphère pour créer du CO₂ ;
• par une réaction chimique intervenant à l'interface entre l'atmosphère et la surface du globe : le CO₂ est réduit par photosynthèse par les végétaux ou est dissout dans les océans pour former des ions bicarbonate et carbonate (le CO₂ est chimiquement stable dans l'atmosphère) ;
• par des rayonnements : par exemple, les rayonnements électromagnétiques émis par le Soleil et les rayonnements cosmiques « brisent » les molécules dans les couches supérieures de l'atmosphère. Une partie des halocarbures disparaissent de cette manière (ils sont généralement chimiquement inertes, donc stables lorsque introduits et mélangés dans l'atmosphère).

Voici quelques estimations de la durée de séjour des gaz, c'est-à-dire le temps nécessaire pour que leur concentration diminue de moitié.

Émissions de CO₂ dans le monde

Les émissions de CO₂ dans le monde ont augmenté de 33,4 % entre 1990 et 2006. Entre 2005 et 2006, elles ont augmenté de 3,2 %.

La situation est très contrastée selon les zones géographiques. En 2006, les deux pays plus gros émetteurs de CO₂ étaient les États-Unis (20,3 % des émissions mondiales), suivis de très près par la Chine (20,2 %). Toutefois, étant donné le fort taux d'augmentation annuel de la Chine, celle-ci est devenue depuis 2006 le plus gros émetteur mondial de CO₂. Dans l'Union européenne, la France est l'un des plus faibles émetteurs, par rapport à sa population, ce qui est dû à une très forte proportion de production d'électricité d'origine nucléaire et hydraulique.

Il y a une forte disparité dans les taux d'augmentation des émissions entre 1990 et 2006 selon les zones géographiques dans le monde. La plus forte augmentation est au Moyen-Orient, avec un taux de + 119,6 %. Puis c'est l'Extrême-Orient avec + 108,6 %, mais il faut distinguer dans cet ensemble la Chine qui a une augmentation de + 151,7 %, et l'Inde de + 112,1 %. L'Amérique latine a vu ses émissions progresser de + 61,2 %, et l'Afrique de + 55,5 %, mais leurs émissions sont encore relativement faibles en valeur absolue (3,5 % du total mondial pour l'Amérique latine, et 3,1 % pour l'Afrique). L'Océanie a vu ses émissions progresser de + 53,4 %. L'Amérique du Nord a vu ses émissions progresser de + 19 %. La seule zone géographique qui a vu ses émissions baisser est l'Europe et l'ex-URSS avec - 14,8 %, chiffre dû surtout à la Russie et à l'Europe de l'Est, L'union européenne à 15 ayant augmenté de + 5,4 %.

Les émissions de la France étaient de 6,2 tonnes de CO₂ par habitant en 2002, ce qui la plaçait en 50e position dans le monde, comme l'un des pays développés avec les plus faibles émissions par habitant^[29], alors que les États-Unis avaient des émissions de 20,1 tonnes de CO₂ par habitant, ce qui les plaçait en 7e position dans le monde^[30].

Méthode d'agrégation des résultats de mesure

Jean-Marc Jancovici propose dans l'outil de bilan carbone proposé par l'ADEME trois démarches pour agréger les résultats de mesure^[32] :

• Une approche interne, qui comptabilise les émissions que l'on engendre chez soi.
• Une approche « émissions intermédiaires », qui comptabilise les émissions qui correspondent à une partie des processus externes à l'activité, mais qui sont nécessaires pour permettre à l'activité d'exister sous sa forme actuelle. Les émissions intermédiaires sont très importantes dans le cas des activités de services.
• Une approche globale, qui estime la pression totale que l'on exerce sur l'environnement en matière de gaz à effet de serre.

Notes et références

Voir aussi

Rien du tout

Articles connexes

Liens externes

• (fr) Manicore.com, le site de Jean-Marc Jancovici, l'un des plus détaillés sur les gaz à effet de serre et le réchauffement climatique
• (fr) Explication des gaz à effet de serre et calculatrice de l'empreinte en équivalent CO₂ des habitudes de vies pour les particuliers
• (fr) Calculer la quantité de CO₂ rejeté dans l'atmosphère pour le transport de marchandises
• (fr) Le premier observatoire francophone du changement climatique Un site d'Universcience destiné à tous celles et ceux qui souhaitent approfondir leur connaissance et leur compréhension du changement climatique en cours : vous y trouverez les dernières observations (dont les évolutions des concentrations des gaz à effet de serre), projections, ainsi que l'explication des mécanismes de base.

• (en) Émissions européennes (données : 2005 à 2008)

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