"En un siècle et demi, l’homme a réinjecté dans l’atmosphère 300 milliards de tonnes de carbone sous forme de CO₂."

L'effet de serre

Comprendre l'effet de serre

Pour en savoir plus

• Consultez le schéma du flux d'énergie au sein du système climatique
• Voir l'évolution de la concentration atmosphérique en CO2
  depuis 1980 à l’Île d’Amsterdam et depuis 1992 à Mace Head

L'augmentation de la température

Le cycle du carbone

Un dispositif pour comprendre l'évaporation de l'eau

Traquer la pollution de l'atmosphère

Les aérosols naturels proviennent des océans et des continents © Phovoir

Les feux de forêt contribuent à générer certains types d'aérosols © PhotoDisc

Capteur de pollution. © CEA

L'EFFET DE SERRE EN QUELQUES DATES

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 perdue (émise vers l’espace). L’énergie provient du Soleil : 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(pouvoir réflecteur) moyen de la Terre (30 % environ), on peut calculer que, en l’absence d’autre phénomène, ce sont donc 239 W/m² qui seraient absorbés par la Terre. 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 239 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 absorbent le rayonnement. 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. L’atmosphère, réchauffée par ce rayonnement absorbé, 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 (de façon égale dans toutes les directions), 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 fait donner le nom de gaz à effet de serre aux gaz atmosphériques qui absorbent le rayonnement infrarouge tellurique.

* En réalité, ce n’est pas l’opacité bien réelle du verre aux infrarouges qui est responsable du piégeage d’énergie dans la serre, mais l’obstacle que met le toit à toute fuite d’air chaud par convection. Il est maintenant usuel de voir des serres en plastique transparent aux infrarouges.

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

© CEA

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 (CO₂, CH₄, N₂O, O₃) au premier rang desquels le dioxyde de carbone. Bien que présent en très faible quantité, l’ozone est un gaz à effet de serre très actif qui contribue à 8 % de l’effet de serre global.

Depuis le début de l’ère industrielle, l’homme a réinjecté dans l’atmosphère, sous forme de CO₂, 300 milliards de tonnes de carbone que la nature avait mis des millions d’années à enfouir dans le sous-sol sous forme de charbon, de pétrole et de gaz. Si la moitié de ce dioxyde de carbone a été reprise par la végétation, les sols et les océans, 150 milliards de tonnes restent dans l’atmosphère, où la concentration de carbone a augmenté de 30 % depuis 1800, passant de 280 à 370 ppm (parties par million).
Plus de 50 % de l’effet de serre additionnel dû aux activités humaines provient du CO₂. Les autres contributeurs sont le méthane *, l’oxyde nitreux, l’ozone troposphérique, les halogénures de carbone (CFC ou leurs substituts actuels)…

* Produit de décomposition anaérobie de la cellulose, en particulier dans les rizières ou dans les panses des ruminants.

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

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.

Modifications du forçage radiatif entre 1750 et 2000 Tout ce qui contribue à modifier la quantité d'énergie reçus ou émise par la Terre sous forme de rayonnement est appelé forçage radiatif (figure GIEC). © Yuvanoe

AÉROSOLS

On appelle aérosols les suspensions de fines particules dans l’atmosphère. Ils peuvent être d’origine naturelle ou anthropique (produits par l’homme).
Pour une part, les aérosols naturels proviennent des océans : sels de mer produits par l’évaporation des embruns, sulfates provenant de l’oxydation de composés soufrés (sulfure de diméthyle) émis par le plancton. Pour l’autre, ils proviennent des continents : poussières terrigènes (poussières d’origine minérale, arrachées aux sols) soulevées par l’érosion éolienne, carbone sous forme minérale ou organique (suies) produit par les feux de forêts ou de savane déclenchés par la foudre, poussières et sulfates volcaniques.

L’activité humaine contribue à générer certains de ces types d’aérosols : la mise à nu des sols favorise leur érosion par le vent ; les combustions diverses pour l’industrie, le transport, les feux pour les pratiques agricoles (particulièrement les feux de savane ou de forêt) produisent des aérosols carbonés tandis que les rejets atmosphériques de soufre produisent des aérosols de sulfates.
La plupart des aérosols restent dans la troposphère peu longtemps, leur durée est inférieure à la semaine. Ils peuvent être transportés jusqu’à des milliers de km. Ils tombent sur Terre par gravité ou par lessivage de l’atmosphère par la pluie. Leur répartition géographique est très disparate ; leur effet sera donc essentiellement local.

Les aérosols de sulfates stratosphériques sont produits par les éruptions volcaniques majeures (ex. : Mt St-Helen, Pinatubo). Ils demeurent dans la stratosphère plus d’une année. Ils ont donc le temps d’équilibrer leur concentration qui, après quelques mois, est devenue homogène par bandes de latitude.Le rôle climatique des aérosols est complexe et pas encore bien établi. Il dépend de la nature de l’aérosol, mais aussi de sa taille, de son altitude et de l’albédo (pouvoir réflecteur) local de la surface. Ils agissent directement comme un parasol sur le rayonnement solaire qu’ils peuvent absorber ou réfléchir. Ainsi, les aérosols stratosphériques provenant de l’éruption du Pinatubo ont causé une baisse de la température du globe de 1/2 degré pendant les deux années qui ont suivi l’éruption. Mais certains aérosols contribuent à l’effet de serre en absorbant le rayonnement infrarouge tellurique.

Les aérosols ont aussi plusieurs effets indirects sur le climat : ils servent de noyaux de condensation de la vapeur d’eau dans la formation des nuages ; leur concentration influera sur la taille des gouttes, taille qui conditionne le pouvoir réfléchissant (albédo) et le temps de résidence des nuages. Absorbant le rayonnement tellurique, ils échauffent localement l’atmosphère, modifiant sa stabilité verticale. Par les réactions chimiques complexes auxquelles ils participent, ils influent sur la concentration de composés à effet de serre ou de leurs précurseurs. Enfin, ils agissent sur la photosynthèse, car ils sont un apport de nutriments essentiels pour le phytoplancton en océan ouvert, mais aussi pour la forêt amazonienne.