Les gaz à effet de serre (2)
La question :
Les gaz à effet de serre représentent une toute petite proportion de l'atmosphère. Comment peuvent-ils avoir un effet sur la température ?
Les réponses :
- Celle de Cathy Clerbaux , chercheuse au Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales
- Celle de François-Marie Bréon , chercheur au Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement
L’atmosphère est constituée à 99% de gaz qui sont stables, de concentration constante, et qui sont transparents au rayonnement infrarouge : en effet l’oxygène (O2) et l’azote (N2) n’interfèrent pas avec le rayonnement infrarouge thermique émis par la terre, car ce sont des molécules biatomiques composées des mêmes atomes. Et l’argon (Ar), qui vient en troisième (0.9%), n’absorbe pas non plus de radiation infrarouge car il est composé d’atomes uniquement. Donc 99.9% de l’air qui compose l’atmosphère n’a pas d’impact sur la température de la terre.
Le 0.1% restant est composé d’une série de gaz dont les concentrations varient et qui, par contre, peuvent absorber la radiation infrarouge thermique. Ces gaz sont connus comme les ‘gaz à effet de serre’ : il s’agit de la vapeur d’eau (H2O), du dioxyde de carbone (CO2), du méthane (CH4), de l’ozone (O3), et des chlorofluorocarbures. Ces gaz sont composés de molécules qui sont non symétriques (composées de deux ou plusieurs atomes différents) et dès lors piègent une partie de la radiation infrarouge qui s’échappe de la terre vers l’espace (voir Figure). Ce phénomène d’effet de serre réchauffe la surface de la terre en permanence, et a permis l’émergence de la vie sur Terre. En effet, sans l'effet de serre naturel, la température moyenne serait de -18 °C hors elle est actuellement de +15 °C. Certains de ces gaz, en particulier le dioxyde de carbone, le méthane et les chlorofluorocarbures sont directement émis par les activités humaines, et leurs concentrations atmosphériques ont énormément augmenté depuis la révolution industrielle. Ceci contribue à augmenter artificiellement l’effet de serre et limite le rayonnement infrarouge qui s’échappe vers l’espace.
Une augmentation des quantités de gaz émises conduit a une augmentation de leur concentration atmosphérique. Les gaz à effet de serre représentent donc bien une petite proportion de l’atmosphère, mais leur rôle est déterminant car ils contrôlent la température de la surface de la terre et des basses couches de l’atmosphère à cause de leur capacité à absorber la radiation infrarouge.
| Légende de la figure : Pourcentage de la radiation infrarouge émise par la terre et absorbée par l’atmosphère, en fonction de la longueur d’onde en microns. Les 3 panneaux du haut montrent les contributions des principaux gaz à effet de serre : H2O, CO2 et O3, qui s’additionnent avec celles du CH4 et du N2O (pas représentées ici). Zéro % d’absorption signifie que la radiation s’échappe sans entrave vers l’espace, et 100% d’absorption signifie que la radiation est complètement piégée par l’atmosphère. Les chlorofluorocarbures absorbent dans la fenêtre atmosphérique localisée entre 8 et 12 µm (traits grisés) |
La concentration du CO2 dans l’atmosphère est de l’ordre de 380 ppm (partie par millions). Cela veut dire que, sur un million de molécules d’air, 380 sont des molécules de CO2. En unité plus classique, nous dirons que la concentration est de 0.038%. Cette concentration peut sembler faible et certains mettent en doute la possibilité qu’une si faible fraction de molécules puisse avoir un impact sur le climat.
Tout d’abord, ces 0.038% représentent tout de même presque 6 kg par mètre carré. Ca fait déjà une couverture bien épaisse ! D’autre part, le CO2 est très efficace pour intercepter le rayonnement infrarouge, de même que d’autres molécules et en particulier le méthane.
Depuis le début de l’ère industrielle, la concentration du CO2 atmosphérique a augmenté d’environ 30%. Dans le même temps, la concentration du méthane a doublé. D’autres gaz, en particulier les CFCs, sont apparus alors que leur concentration naturelle est quasi nulle. L’augmentation des concentrations de ces gaz a augmenté l’effet de serre, ce qui conduit à un chauffage additionnel qui correspond à environ 1% de l’énergie reçue du soleil. Cette augmentation de 1% peut paraître faible, mais tout dépend de la base de comparaison. L’analyse des climats du passé montre clairement que la Terre est très sensible à des modifications de l’énergie reçue.
Chaque année, l’atmosphère échange de très grandes quantités de CO2 avec les océans et les surfaces terrestres. La quantité de CO2 dans l’atmosphère est de l’ordre de 770 GtC (milliards de tonnes de carbone) alors que les échanges annuels sont de l’ordre de 200 GtC. On peut donc en déduire que le temps de résidence dans l’atmosphère est de l’ordre de 4 ans. Cependant, en très grosse partie, les échanges entre l’atmosphère et les océans ou les surfaces terrestres sont équilibrés. Les échanges vers l’océan sont pratiquement égaux aux échanges de l’océan. Aujourd’hui, en moyenne, les océans et les surfaces terrestres absorbent chaque année 4 GtC. Un simple rapport avec la masse de carbone dans l’atmosphère conduit donc à une durée de résidence de 200 ans.
Les analyses plus complètes indiquent que le carbone qui est mis dans l’atmosphère par les activités humaines disparaît à 75% en quelques centaines d’années, mais que 25% y restera pour plusieurs millénaires.