Effet de serre - Définition

Introduction

L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système solaire) ou d'autres étoiles (dans le cas général), confère au corps qui reçoit cette énergie une température de surface nettement supérieure à une situation « sans effet de serre ». On le retrouve sur différents objets célestes dans le système solaire, notamment sur Vénus.

L'usage courant de cette expression est une généralisation du phénomène empiriquement bien connu qui permet aux serres de maintenir les cultures à une température plus élevée.

« L'effet de serre » est dû à la présence de gaz à effet de serre (GES) contenus dans l'atmosphère. Une partie du rayonnement solaire traverse l'atmosphère et atteint le sol, qui en retour émet un rayonnement thermique qui, lui, est absorbé par les GES, ce qui réchauffe l'atmosphère, qui elle-même réchauffe le sol (dans le cas de la Terre : la croûte terrestre, la biosphère et l'hydrosphère).

Une augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère participe au réchauffement climatique.

Mécanisme sur Terre

Une représentation schématique des échanges d'énergie entre l'espace, l'atmosphère terrestre, et la surface de la 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 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 (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 ; une partie s'échappe vers l'espace, mais une autre partie retourne vers la Terre et constitue un apport supplémentaire de chaleur à la surface.

Sans effet de serre, et à albédo constant, la température moyenne sur Terre chuterait à -18 °C. 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 .

Avec ou sans effet de serre, 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. La température apparente de la Terre (vue de l'espace) s'ajuste pour adapter l'énergie émise à l'énergie reçue. Mais grâce à l'effet de serre, la température de surface est plus élevée.

Effets des activités humaines

L'élevage (bovin notamment) est une des sources de méthane, dont en Argentine (modélisation/Nasa)

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 dégagent 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.

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.

Hypothèse de l'emballement de l'effet de serre

On craint au pire le déclenchement d'un effet « boule de neige » (rétroaction positive), où le réchauffement conduirait à un réchauffement encore accru, via la disparition des glaces (réduction de l'albédo) et surtout la libération de stocks naturels de GES actuellement fixés par le pergélisol, les hydrates de méthane marins, ou encore 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 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. Il est également estimé que de grandes quantités de méthane pourraient être libérées de la toundra sibérienne qui commence à dégeler, le méthane étant 21 fois plus puissant comme gaz à effet de serre que le dioxyde de carbone.

Conséquences pour l'environnement

L'effet de serre n'est pas en soi nocif aux écosystèmes ; sans lui, la Terre ne serait qu'une boule de glace, probablement invivable. 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 en cas de changements de température et de pluviométrie. Des écosystèmes marins et littoraux pourraient également être touchés par une hausse du niveau de la mer et des modifications des courants marins et des conditions physico-chimique de l'eau de mer (acidité, taux de gaz dissouts...). Les populations humaines seraient évidemment touchées.

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 (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.