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L’effet de serre est un processus naturel résultant de l’influence de l'atmosphère sur les différents flux thermiques contribuant aux températures au sol d'une planète. La prise en compte de ce mécanisme est nécessaire pour expliquer les températures observées à la surface de la Terre et de Vénus. Dans le système solaire, l'essentiel de l'énergie thermique reçue par une planète provient du rayonnement solaire et, en l’absence d'atmosphère, une planète rayonne idéalement comme un corps noir, l'atmosphère d'une planète absorbe et réfléchit une partie de ces rayonnements modifiant ainsi l'équilibre thermique. Ainsi l'atmosphère isole la Terre du vide spatial comme une serre isole les plantes de l'air extérieur. L'expression effet de serre s'est popularisée dans le cadre de la vulgarisation du réchauffement climatique causé par les gaz à effet de serre qui absorbent une partie du rayonnement thermique[1] infrarouge émis par la surface et réémettent ce rayonnement dans toutes les directions. Une partie de ce rayonnement est ainsi réémis vers la surface et s'ajoute au rayonnement solaire direct, ce qui augmente la température de surface. La communauté scientifique des climatologues utilise le terme forçage radiatif pour décrire l’influence des gaz à effet de serre sur le bilan thermique de la Terre. Les températures terrestres résultent d'interactions complexes, notamment entre les apports solaires perturbés par les cycles de l'orbite terrestre, l'effet de l'albédo, les courants de convection dans l'atmosphère et les océans, le cycle de l'eau et le forçage radiatif de l'atmosphère. Histoire[modifier | modifier le code]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[2]. 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»[3],[4]. En 1857, Eunice Newton Foote publie Circumstances affecting the Heat of the Sun's Rays dans la revue American Journal of Science[5]. Elle décrit une expérience où elle mesure la température interne de cylindres de verre, exposés au Soleil et remplis de différents mélanges gazeux. Elle découvre que le dioxyde de carbone retient particulièrement bien la chaleur et conclut que « une atmosphère constituée de ce gaz donnerait à notre Terre une haute température ». Oubliée, sa contribution scientifique est redécouverte en 2011[6]. En 1861, John Tyndall identifie à son tour les principaux responsables de ce mécanisme : la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone. Il suggère alors qu'une modification de la composition de l'atmosphère peut avoir une influence sur l'évolution du climat[7]. En 1896, Svante August Arrhenius propose la première estimation de l'impact du niveau de dioxyde de carbone sur les températures terrestres. Il estime qu'un doublement de la quantité de dioxyde de carbone devrait augmenter de 4 °C la température moyenne[8]. Il espère ainsi que l'exploitation du charbon permettra de surmonter la prochaine ère glaciaire due à l'orbite terrestre. Le géologue américain Thomas Chrowder Chamberlin arrivera indépendamment aux mêmes conclusions. En 1909, Robert Williams Wood montre que contrairement à une idée reçue le blocage du rayonnement infrarouge par le verre n'est pas le principal mécanisme qui explique le fonctionnement d'une serre[9]. Par conséquent le terme scientifique, adopté par le GIEC, utilisé pour décrire l’influence des composants de l'atmosphère bloquant le rayonnement infrarouge sur le bilan thermique de la Terre est forçage radiatif et non effet de serre. L'expression synthétique effet de serre provient de la vulgarisation au début des années 1980 des résultats alarmants des recherches climatologiques. Alors que les climatologues analysent l'impact du dioxyde de carbone sur le climat sans parler d'effet de serre[10], les premières alertes pour infléchir les décisions politiques sont lancées au début des années 1980 en utilisant cette expression[11], reprise par la suite dans des rapports de plus en plus médiatisés, comme le 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. Effet de serre sur la Terre[modifier | modifier le code]Mécanisme sur Terre[modifier | modifier le code]Le climat de la Terre est largement déterminé par le Bilan radiatif de la Terre, c'est-à-dire l'équilibre entre le rayonnement entrant et sortant. Ils sont mesurées par des satellites et exprimées en W/m2. Le déséquilibre (ou taux de réchauffement global ; indiqué dans la figure par la quantité "net absorbed") est passé de +0.6 W/m2 (en 2009[12]) à plus de +1.0 W/m2 en 2019[13]. Lorsque le rayonnement solaire atteint la Terre, une partie (environ 30 %) est directement réfléchie, c'est-à-dire renvoyée vers l'espace, par l'atmosphère terrestre et la surface de la Terre (océans et continents). L'albédo est la mesure de cet effet de miroir. Les rayons incidents qui n'ont pas été réfléchis vers l'espace sont absorbés par l'atmosphère (20,7 %) et la surface terrestre (51 %). Le rayonnement solaire absorbé par la surface du sol lui apporte de la chaleur qu'elle restitue à son tour, le jour comme la nuit, en direction de l'atmosphère. Le transfert de chaleur entre la Terre et l'atmosphère se fait, conformément au deuxième principe de la thermodynamique, du chaud (la terre) vers le froid (l'atmosphère) ; il se fait par convection (réchauffement et humidification de l'air au contact du sol puis ascension de cet air et libération de la chaleur latente de la vapeur d'eau lorsqu'elle se condense en nuages) et sous forme de rayonnements infrarouges lointains (dans la plage 8–13 μm principalement, correspondant au « rayonnement du corps noir » pour la température du sol). L'effet de serre ne s'intéresse qu'à ces rayonnements, qui seront absorbés en partie par les gaz à effet de serre, ce qui contribue à réchauffer l'atmosphère. La chaleur contenue dans l'atmosphère est réémise dans toutes les directions sous forme de rayonnement infrarouge ; une partie s'échappe vers l'espace, une autre partie retourne vers la surface de la Terre et vient en déduction de l'apport de chaleur de la surface vers l'atmosphère, donc s'oppose au refroidissement de la surface[14]. Sans effet de serre (ce qui implique notamment : sans vapeur d'eau et sans nuages), et à albédo constant, la température moyenne sur Terre chuterait à −18 °C[15]. 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). Gaz à « effet de serre »[modifier | modifier le code]Si la majorité des rayonnements solaires traversent l'atmosphère pour toucher le sol (en rouge), la plus grande partie du rayonnement émis par 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. Les gaz à effet de serre sont les composants gazeux de l'atmosphère qui contribuent à l'effet de serre (l'atmosphère terrestre contient également des composants non gazeux qui contribuent à l'effet de serre, comme les gouttes d'eau des nuages). Ces gaz ont pour caractéristique commune d'absorber une partie des infrarouges émis par la surface de la planète. Pour la planète Terre, les principaux gaz à effet de serre sont la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), le protoxyde d'azote (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[16] :
Effets des activités humaines[modifier | modifier le code]Émission de gaz à effet de serre.
L'élevage (bovin, notamment en Argentine) est une des sources de méthane (modélisation/Nasa). Les activités humaines génèrent des gaz à effet de serre, qui viennent s'ajouter à ceux présents naturellement ce qui augmente leur concentration. Cela amplifie l'effet de serre et entraîne le réchauffement climatique[17]. L'augmentation de l'effet de serre due aux activités anthropiques est appelé effet de serre additionnel. La chaleur stockée sur Terre par l’effet de serre additionnel est absorbé à 93 % par l'océan, ce qui atténue l'augmentation de la température de l'atmosphère[18]. L'océan global joue donc un rôle de thermostat planétaire et de contrôle des grands équilibres naturels planétaires. 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 leur concentration dans l'atmosphère augmente 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. Répartition des gaz à effet de serre anthropiques (dus aux activités humaines)[19] :
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 :
La combustion des carbones fossiles comme le charbon, le pétrole ou le gaz naturel (méthane) rejette du CO2 en grande quantité dans l'atmosphère : la concentration atmosphérique de gaz carbonique a ainsi augmenté de 137 ppm, passant de la valeur pré-industrielle de 280 à 417 ppm aujourd'hui (2021)[20]. 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. Ces combustibles augmentent, de plus, la concentration de gaz à effet de serre, car ils étaient enfouis dans le sol depuis des milliers d'années ce qui a rompu l'équilibre. Il s'agit d'un ajout additionnel de gaz carbonique dans l'atmosphère qui n'est pas non plus complètement compensé par une assez grande absorption : seule la moitié serait recyclée par la nature ; l'autre moitié resterait dans l'atmosphère et augmenterait l'effet de serre[21]. 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[22][source insuffisante]. 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. Il s'agit d'une des plus grandes causes, car tout le carbone absorbé par ces arbres est rediffusé dans l'air. S'il y avait replantation, cette quantité de dioxyde de carbone serait réabsorbée par un autre arbre, mais sans replantation, alors il n'y a qu'un ajout de la quantité de ce gaz dans l'air[21]. 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[23][source insuffisante]. Dans le cadre de la réduction des émissions de gaz à effet de serre engendré par la circulation automobile, une étude[24] réalisée pour le PREDIT[25] a montré l'influence des politiques de stationnement sur les possibilités de limiter la génération de gaz à effet de serre. La démarche concerne les émissions liées à la construction de places de stationnement, à l'exploitation des parkings et surtout à la mobilité induite par l'offre de stationnement. Hypothèse de l'emballement de l'effet de serre[modifier | modifier le code]On craint au pire le déclenchement d'une rétroaction positive («effet boule de neige »), où le réchauffement conduirait à une libération de gaz à effet de serre et ainsi à un réchauffement encore accru. En effet l’augmentation des températures peut conduire à la libération de stocks naturels de GES actuellement fixés par le pergélisol, les hydrates de méthane marins ou 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 runaway greenhouse effect (« emballement de l'effet de serre »). Selon l'hypothèse du fusil à clathrates (clathrate gun hypothesis 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) à la suite du réchauffement climatique. On suppose que l'extinction massive d'espèces lors du Permien-Trias a été causée par un tel emballement[26]. 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. Une telle hypothèse reste toutefois hautement improbable : des études récentes ont en effet prouvé que l'hydrate de méthane du fond des océans était stable[27],[28], et que celui contenu dans le pergélisol n'avait que peu de chance de s'en échapper[29][source insuffisante]. Conséquences pour l'environnement[modifier | modifier le code]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 aux changements de température et de pluviométrie. Des écosystèmes marins et littoraux pourraient également être touchés par une hausse du niveau de la mer, par la modification des courants marins[30] et par les caractéristiques physico-chimiques de l'eau de mer (acidité, taux de gaz dissous…). Les populations humaines seraient évidemment touchées par le réchauffement climatique, la hausse du niveau de la mer entrainant la disparition d'importantes métropoles et de vastes portions de pays[31]. En outre, une hausse des températures aide à la prolifération des insectes propageant des maladies infectieuses, qui 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. Au lieu d'un ralentissement global des émissions depuis la signature du protocole de Kyoto, celles-ci continuaient à augmenter à un rythme croissant en 2018[32]. 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 centaines d'années, car certains gaz à effet de serre ne disparaissent de l'atmosphère que très lentement. Effet de serre sur les autres planètes[modifier | modifier le code]Effet de serre sur Vénus[modifier | modifier le code]Sur Vénus l'effet de serre a porté la température à plus de 460 °C. Une étude affirme que cet effet ne serait 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[33]. 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[34]. Effet de serre sur Mars[modifier | modifier le code]L'atmosphère de Mars contient une grande proportion de CO2, néanmoins l'atmosphère de la planète est trop fine pour avoir un impact significatif sur la température (estimé à moins de +5,5 °C)[35]. CO2 constituant environ 96 % en volume (et quasiment autant en masse) de l'atmosphère martienne, sa pression partielle est approximativement égale à la pression totale atmosphérique de 600 Pa, tandis que cette pression partielle sur Terre est d'environ 40 Pa. Sur Terre, la fraction molaire de CO2 dans l'air est seulement de 0,04 % en volume (0,06 % en masse)[34]. Fonctionnement d'une serre[modifier | modifier le code]Contrairement à une idée reçue, et comme le suggère ce nom, l'effet de serre, sous-entendu le mécanisme lié à l’absorption et à l'émission de radiations thermiques par le verre, n'est pas primordial dans le fonctionnement d'une serre. En 1909, Robert Williams Wood a réfuté par l'expérience cette explication[36],[37]. En remplaçant le verre qui recouvre une serre par du halite, un matériau totalement transparent aux infrarouges, Robert Wood mesure une augmentation similaire de température dans les deux cas. Aussi l'augmentation de température dans une serre ne s'explique pas que par le fait que le verre réfléchit les infrarouges. L'expression « effet de serre » a néanmoins été conservée dans l'usage courant. Mais le terme scientifique, utilisé par la communauté scientifique pour décrire l’influence des composants de l'atmosphère bloquant le rayonnement infrarouge sur le bilan thermique de la Terre, est forçage radiatif. Le fonctionnement d'une serre s'explique essentiellement par une analyse de la convection et non du rayonnement : la chaleur s'accumule à l'intérieur de la serre car les parois bloquent les échanges convectifs entre l'intérieur et l'extérieur. Hausse de température due à l'effet de serre[modifier | modifier le code]L'évaluation de la température moyenne de la terre se fonde généralement sur la loi de Stefan-Boltzmann, qui donne une température effective théorique de la planète compte tenu de sa capacité à ré-émettre dans l'infra-rouge l'énergie reçue en moyenne du soleil. Le problème d'une telle évaluation est qu'elle se place dans l'hypothèse d'un corps noir recevant orthogonalement le flux solaire et réémettant un flux d'infra-rouge équilibrant la réception. En réalité, les surfaces sur une sphère planétaire ne reçoivent qu'une fraction du flux solaire, suivant leur latitude et l'exposition journalière ; et cette exposition diurne est fortement refroidie par les émissions nocturnes, qui contribuent à un refroidissement supplémentaire[38]. Confusion entre effet de serre et trou dans la couche d'ozone[modifier | modifier le code]L'effet de serre et le réchauffement climatique qu'il induit sont assez souvent confondus avec l'altération de la couche d'ozone[39]. Il s'agit pourtant de deux phénomènes bien distincts, le premier concernant la rétention dans l'atmosphère des infrarouges (autrement dit de la chaleur) ; le second concernant l'augmentation de la transparence de l'atmosphère aux ultraviolets. Par ailleurs, si les principaux responsables de l'altération de la couche d'ozone, à savoir les CFC (chlorofluorocarbures, interdits dans les pays industriels dès 1989) sont aussi des gaz à effet de serre, l'inverse n'est pas vrai : les gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone et le méthane n'ont aucun effet sur la couche d'ozone. Notes et références[modifier | modifier le code]
Annexes[modifier | modifier le code]Bibliographie[modifier | modifier le code]
Articles connexes[modifier | modifier le code]
Liens externes[modifier | modifier le code]
Gouvernement de la France[modifier | modifier le code]
Gouvernement du Canada[modifier | modifier le code]
Autres[modifier | modifier le code]
Histoire de la notion d'effet de serre[modifier | modifier le code]
Outils de visualisation[modifier | modifier le code]
Quelle est l'influence de l'effet de serre sur la température ?C'est l'effet de serre. Grâce à lui, la température moyenne sur Terre est d'environ 15 °C. Sans lui, elle serait de -18 °C. L'effet de serre est déséquilibré par les activités humaines, en particulier l'utilisation des énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon).
Comment l'effet de serre permet d'augmenter la température terrestre ?La Terre reçoit son énergie du soleil sous forme de rayonnement solaire. Le rayonnement solaire (visible) à ondes courtes traverse l'atmosphère sans rencontrer d'obstacles ou presque et réchauffe la surface terrestre.
Quel est l'effet de l'effet de serre sur l'évolution de la température moyenne à la surface de la Terre ?En effet, les gaz à effet de serre permettent de capter les rayonnements infrarouges et de réchauffer le climat. Sans l'effet de serre, la température sur Terre avoisinerait alors les -18°C !
Qu'estDepuis l'atmosphère, il se forme une barrière naturelle due aux gaz à effet de serre : la troposphère, empêchant les rayonnements infrarouges d'être rejetés dans l'espace. Sans ce phénomène, la température de la planète atteindrait les températures moyennes de - 19 °C au lieu des actuels 15 °C.
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Comment leffet de serre influence la température ?
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