L'effet de serre

L'effet de serre est un processus naturel de réchauffement de l'atmosphère.

Sur Terre, il intervient dans le bilan radiatif. Il est dû aux gaz à effet de serre (GES) contenus dans l'atmosphère.

Sommaire 1 Mécanisme sur Terre 2 Les gaz à effet de serre 3 Effets des activités humaines 3.1 Conséquences pour l'environnement 3.2 Conséquences pour les humains 3.3 Rétroaction positive et emballement de l'effet de serre 4 Histoire de la notion d'effet de serre 5 Débat scientifique sur l'origine et les conséquences de l'effet de serre 6 Effet de serre sur les autres planètes 6.1 Effet de serre sur Vénus 6.2 Effet de serre sur Mars 7 Voir aussi 7.1 Articles connexes 7.2 Liens externes 7.3 Bibliographie 7.4 Notes et références

Mécanisme sur Terre

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/ou 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 en l'occurrence, 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, notamment vers la Terre.

C'est ce rayonnement qui retourne vers la Terre qui constitue l'effet de serre, il est à l'origine d'un apport supplémentaire de chaleur à la surface terrestre. Sans ce phénomène, la température moyenne sur Terre chuterait d'abord à -18 °C. Puis, la glace s'étendant sur le globe, l'albédo terrestre augmenterait et la température se stabiliserait vraisemblablement à -100 °C.

On peut considérer l'atmosphère comme un réservoir d'énergie. Si l'effet de serre est plus efficace pour retenir l'énergie, en fait ralentir la déperdition de l'énergie, de ce réservoir se remplit - et l'énergie emmagasinée par la surface terrestre augmente.

En moyenne, l'énergie venue de l'espace et reçue par la Terre, et l'énergie de la Terre émise vers l'espace sont quasiment égales. Si ce n'était pas le cas, la température de surface de la Terre augmenterait sans cesse ou diminuerait sans cesse. En effet, si les échanges moyens d'énergie avec l'espace ne sont pas équilibrés, il y aura un stockage ou un déstockage d'énergie par la Terre. Ce déséquilibre provoquerait alors un changement de température de l'atmosphère (voir Réchauffement climatique).

L'effet de serre doit son nom à l'analogie entre l'atmosphère terrestre et une serre destinée à abriter des plantes. Les parois vitrées de la serre laissent entrer le rayonnement visible, qui transporte la majeure partie de l'énergie solaire, mais réfléchissent des rayonnements infrarouges, cause importante des pertes thermiques de tout corps (loi du corps noir). Le verre de la serre joue donc un rôle analogue à celui de l'atmosphère, qui contient les gaz à effet de serre.

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. 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 :
[2]

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

Toutefois, 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.

Ces gaz ont pour caractéristique commune d'absorber une partie des infra-rouges émis par la surface de la Terre.

Effets des activités humaines

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 dégage le plus de gaz à effet de serre est l'énergie : à ce sujet, voir l'article énergie et effet de serre.

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. Ces gaz à effet de serre fonctionnent donc comme une couverture qui maintient une température à la surface de notre Terre et l'empêche ainsi de se refroidir.

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^[1].

Conséquences pour l'environnement

L'effet de serre n'est pas en soi nocif aux écosystèmes ; sans lui, la température terrestre avoisinerait les -18 °C. Cependant un excès de GES dépassant la capacité des écosystèmes à les piéger et les absorber est un danger pour la plupart des espèces dites évoluées.

Suivant certains scénarios extrêmes un réchauffement global provoquerait d'abord une augmentation mécanique du volume d'eau de mer par dilatation et par la fonte des calottes polaires^{[réf. nécessaire]}, qui engloutirait les terres basses (les îles coralliennes comme les îles Maldives sont les premières menacées), mettant en péril de nombreuses espèces dont peut-être, par acidification des océans, le phytoplancton qui produit 80 % du dioxygène que nous respirons et qui absorbe l'essentiel du dioxyde de carbone dissous dans l'eau de mer ; le CO₂ est 60 fois plus présent dans la mer que dans l'air (1,8 % au lieu de 0,03 %) pour un volume grossièrement estimé à 1 370 millions de km³. D'autres conséquences sont attendues, dont une augmentation de la pluviométrie, et la modification des courants marins, ce qui modifierait aussi le niveau moyen des mers avec des conséquences potentiellement désastreuses. Des conséquences ^{[réf. nécessaire]} plus ou moins difficiles à prévoir (?) risquent de provoquer un véritable changement climatique. Un effet « boule de neige » auto entretenu ^{[réf. nécessaire]} pourrait être amorcé par la fonte du pergélisol avec évaporation d'hydrates de méthane, s'ajoutant à celui qui pourrait aussi être libéré en mer, ainsi que par l'augmentation des incendies de forêts et d'inondations se traduisant par la méthanisation de matière organique immergée, qui sont autant de facteurs de réchauffement.

Certains scientifiques prévoient une augmentation 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 Kyoto). 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^[2].

Conséquences pour les humains

Rétroaction positive et emballement de l'effet de serre

Quand il y a une réaction en chaîne, telle que la concentration d'un gaz à effet de serre augmente avec la température, il y a une rétroaction positive (positive feedback en anglais). Un autre exemple de rétroaction positive est la diminution de la couverture de glace qui affaiblit l'albédo de la planète et contribue ainsi à augmenter sa température.

Avec le rayonnement de la Terre qui augmente proportionnellement à la puissance quatrième de la température (Loi de Stefan-Boltzmann), l'effet de rétroaction doit être très fort pour provoquer un emballement. 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^[3]. 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.

Histoire de la notion d'effet de serre

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

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. Il espère ainsi que l'exploitation du charbon permettra de repousser la prochaine ère glaciaire. Le géologue américain Thomas Chamberlin 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.

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, l'étude et la critique des fondements et hypothèses scientifiques sur lesquels reposent les conclusions du GIEC, les pressions politiques et les conséquences potentielles pour le lobby industriel lié à l'exploitation des énergies fossiles, que l'adoption de quotas d'émissions carboniques menacerait dangereusement, ont favorisé l'émergence et le développement d'un contre-courant dans le milieu scientifique remettant en cause l'interprétation des données.

La plupart des climatologues, tout en reconnaissant les changements induits par le réchauffement climatique et le besoin de prendre des mesures, rejettent le catastrophisme entretenu par les milieux écologistes et les médias. Certains scientifiques estiment que des îles coralliennes telles que les Maldives pourraient se surélever grâce à la croissance des coraux qui pourrait se faire aussi rapidement que la montée des eaux ^{[réf. nécessaire]}. D'autres ou les mêmes, se basant sur l'histoire de la Terre, estiment qu'à chaque fois la nature a trouvé les réponses appropriées, et que si des espèces sont ou seront conduites à régresser ou disparaître, d'autres apparaîtront et se développeront selon les principes de la sélection naturelle ^{[réf. souhaitée]}. D'autres ^{[Qui ?]} répondent à ces mêmes arguments que ces transformations évolutives ont dans le passé duré des dizaines de millions d'années, alors que le changement climatique envisagé aujourd'hui se produira sur un siècle ou deux, avec une intensité inhabituelle pour un délai si court ; délai biologiquement trop bref pour que la nature puisse s'adapter comme elle l'a fait lors des crises d'extinctions passées.

Effet de serre sur les autres planètes

Effet de serre sur Vénus

L'effet de serre, en tant que processus naturel, est également observé sur Vénus où la température atteint plus de 460 °C. Cet effet est dû non au dioxyde de carbone, qui constitue pourtant 96% de l'atmosphère, mais à de 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 H₂, bien qu'en très faibles quantités, 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^[4].

Effet de serre sur Mars

L'atmosphère de Mars contient une grande proportion de CO₂, néanmoins l'atmosphère de la planète est trop tenue pour avoir un impact significatif sur la température (seulement quelques K).

Voir aussi

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

• (en) Realclimate Blog de commentaire des résultats scientifiques récents animé par des scientifiques.
• (en) Émissions européennes par rapport à l'objectif de Kyoto

Bibliographie

Notes et références

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