L'effet de serre est un sujet qui suscite un intérêt croissant, mais aussi une certaine confusion. Sa définition continue d'évoluer au fil des découvertes scientifiques et du contexte. Ce phénomène naturel, indispensable à la vie sur Terre, régule la température moyenne de l'atmosphère terrestre grâce aux gaz à effet de serre (GES) qui absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre. Cet article vise à démystifier l'effet de serre, en explorant sa définition, ses causes, et ses implications environnementales et sociales.
Introduction à l'Effet de Serre
L'effet de serre est un processus naturel par lequel certains gaz présents dans l'atmosphère terrestre absorbent et réémettent une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre. Ce mécanisme permet de maintenir une température moyenne globale d'environ 15°C, rendant la vie possible sur notre planète. Sans cet effet de serre naturel, la température moyenne serait d'environ -19°C.
Depuis les travaux du scientifique français Joseph Fourier en 1824, la définition scientifique de l'effet de serre n'a cessé d'évoluer. Elle intègre désormais l'absorption du rayonnement infrarouge, le forçage radiatif et la distinction entre effet de serre naturel et effet de serre anthropique (d'origine humaine). Cette évolution scientifique reflète la complexité croissante de notre compréhension du système climatique.
Les Bases Physiques de l'Effet de Serre
Pour comprendre la définition de l'effet de serre, il est essentiel de décortiquer le bilan énergétique de notre planète.
Dès qu'un objet possède un peu de chaleur, il émet un rayonnement.
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Toute l'énergie du Soleil n'est pas conservée. Environ 30 % du rayonnement est immédiatement renvoyé vers l'espace par les surfaces blanches ou brillantes (nuages, glaces, sable…).
Pour éviter une surchauffe, la Terre réémet cette énergie vers l'espace sous forme de rayonnement infrarouge (λ ≈ 10 µm).
Sans atmosphère, la terre absorberait la chaleur du Soleil pendant la journée, mais la restituerait presque entièrement la nuit sous forme de rayonnement infrarouge. Ainsi, la Terre afficherait une température moyenne de -18 °C environ, avec des variations brutales entre le jour et la nuit, similaires à celles observées sur la Lune. Le calcul de -18°C sans effet de serre est une approximation.
Grâce à l'atmosphère et à la présence de molécules gazeuses appelées gaz à effet de serre (GES), une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre est absorbée. Cette énergie est alors temporairement retenue, puis réémise de manière aléatoire, à la fois vers la surface terrestre et vers l'espace.
L'effet de serre repose sur une physique précise : certains gaz absorbent et réémettent l'infrarouge, ils ne "piègent" pas la chaleur comme une « couverture », ou une serre horticole.
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L'Absorption du Rayonnement Infrarouge par les Gaz à Effet de Serre
Lorsqu'une molécule absorbe une énergie extérieure adéquate, on dit qu'elle vibre, modifiant ainsi les distances et angles entre ses atomes. Seules les vibrations qui modifient le moment dipolaire sont capables d'absorber le champ électrique de la lumière infrarouge. Or, toutes les vibrations moléculaires ne peuvent pas interagir avec le rayonnement infrarouge.
Exemple de l'eau (H₂O) : premier contributeur à l'effet de serre naturel, la molécule d'eau présente un moment dipolaire permanent. Cette polarité s'explique par la forte électronégativité de l'oxygène par rapport à l'hydrogène, créant un déséquilibre de la densité électronique.
Exemple du dioxyde de carbone (CO₂) : à l'inverse, le CO₂, en raison de sa structure linéaire symétrique, ne possède pas de moment dipolaire permanent puisque les charges s'équilibrent de part et d'autre de la molécule.
L'Oxygène et l'Azote : ce sont des molécules très simples, composées de deux atomes identiques. Qu'elles s'étirent ou qu'elles vibrent, elles restent parfaitement symétriques. Comme leur moment dipolaire ne change pas, le rayonnement IR passe à travers elles sans s'arrêter.
Le dioxyde de carbone (CO2) : bien qu'il soit symétrique au repos, il est composé de trois atomes. Lorsqu'il reçoit de l'énergie, il peut se tordre ou s'étirer de façon asymétrique (un côté plus long que l'autre) de 3 façons différentes.
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Depuis plusieurs décennies, l'absorption du rayonnement infrarouge à 15 µm par le dioxyde de carbone est considérée comme saturée. Elle a commencé dès que la concentration en CO2 a dépassé environ 300 ppm (partie par million). D'autres mécanismes compensent cette saturation, notamment l'élargissement des zones d'absorption du CO₂ sur les bords du spectre.
L'accroissement de la concentration de CO₂ atmosphérique lié aux activités humaines modifie la localisation de l'absorption infrarouge. Cette absorption se déplace progressivement vers les couches atmosphériques supérieures, où les températures sont plus basses. À cette altitude, le CO₂ devient le principal acteur de l'interaction avec le rayonnement infrarouge car il demeure à l'état gazeux.
À cette altitude, le rayonnement infrarouge devient le mode de transfert d'énergie dominant. La conduction y est quasiment inexistante. La convection est fortement limitée par la stabilité des masses d'air. Le flux d'énergie étant proportionnel à la température, le rayonnement diminue et l'air se refroidit. Le CO₂ modifie l'altitude d'émission de la chaleur : plus elle est élevée et froide, plus la surface se réchauffe.
L'élévation de la concentration de CO₂ fait remonter la zone d'émission radiative vers des couches atmosphériques plus hautes et plus froides, ce qui intensifie l'effet de serre au voisinage du sol.
Les Gaz à Effet de Serre (GES)
Les gaz à effet de serre (GES) sont des composants gazeux présents naturellement dans l’air qui proviennent par exemple de l’activité volcanique, de la décomposition de la matière organique ou tout simplement de la vie sur terre via la respiration. Ces gaz atmosphériques absorbent, entre autres, les rayonnements infrarouges émis par la terre et sont donc appelés GES car ils contribuent à l'existence du phénomène d'"effet de serre" à la surface du globe.
Les Principaux GES
La vapeur d'eau (H2O) : C'est le GES le plus important en termes d'effet de serre naturel. L’évaporation de l’eau présente à la surface de la Terre et l’évapotranspiration des plantes produit l'essentiel de la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère. Selon l’ADEME, la vapeur d'eau est le gaz à effet de serre le plus abondant et occupe de 0,4 à 4 % du volume atmosphérique alors que tous les autres gaz à effet de serre occupent moins de 0,1 % de ce volume.
Le dioxyde de carbone (CO2) : C'est le GES le plus connu et le plus abondant issu des activités humaines. Le CO2 est présent dans l’atmosphère depuis toujours bien avant l’apparition de l’homme. En effet, ce dernier est créé par la décomposition naturelle de matières animales ou végétales. Il est absorbé par les plantes au cours du processus de photosynthèse : transformation de CO₂ et d'eau en sucres sous l'effet de la lumière solaire. En Europe, le CO2 représentait 79 % des émissions de gaz à effet de serre en 2019. Le CO2 est aujourd'hui considéré comme étant le principal responsable de l’effet de serre additionnel.
Le méthane (CH4) : Aussi appelé “gaz des marais”, est un gaz à effet de serre qui a pour formule chimique CH4. Il est considéré comme étant un hydrocarbure et constituant principal du gaz naturel. Les émissions anthropiques de méthane représentent un peu plus de la moitié des émissions totales de méthane. Selon le Programme des Nations Unies pour l’Environnement “les émissions générées par le bétail, provenant du fumier et des rejets gastro-intestinaux, représentent environ 32% des émissions de méthane d’origine humaine". Le méthane représente 12% des émissions de gaz à effet de serre en Europe en 2019.
Le protoxyde d'azote (N2O) : Également connu sous le nom d’oxyde nitreux ou encore “gaz hilarant” est un composé oxygéné de l’azote. Sa formule chimique est N2O. Ce gaz est considéré comme étant le troisième plus important gaz à effet de serre juste après le CO2 et le CH4. Les émissions de N2O en Europe en 2019 représentaient 6,8 % des émissions totales de gaz à effet de serre. En outre, le protoxyde d’azote contribue également au phénomène de destruction de la couche d’ozone.
Les gaz fluorés (HFCs, PFCs, NF3, SF6) : Ces gaz sont qualifiés d’artificiels ou d'industriels car leur présence dans l'atmosphère et dû aux activités humaines, ils ne sont pas présents naturellement dans l’atmosphère. Les gaz fluorés (F-Gas) sont responsables d'environ 2,5 % des émissions de gaz à effet de serre produit par l’Europe en 2019.
Potentiel de Réchauffement Global (PRG)
La capacité d'un gaz à retenir la chaleur dans l'atmosphère pendant une période donnée est mesurée par son potentiel de réchauffement global (PRG) ou Global Warming Potential (GWP) en anglais. Le dioxyde de carbone (CO₂), étant considéré comme la référence, reçoit une valeur de 1. Dans l’objectif de pouvoir comparer les effets des différents gaz à effet de serre, leurs PRG sont convertis en équivalents de CO₂ sur une période de cent ans, qui est la période de référence utilisée par le GIEC.
Les Causes de l'Accentuation de l'Effet de Serre
Les activités humaines, ou émissions anthropiques, entraînent une accumulation des GES dans l’atmosphère. Les GES émis par les activités humaines viennent s'ajouter aux GES naturellement présents dans l'atmosphère générant une augmentation de la concentration des GES dans l'atmosphère. Cette augmentation de la concentration en GES génère un effet de serre additionnel qui tend à augmenter la température à la surface de la terre et dans les basses couches de l'atmosphère.
La principale source des émissions de GES qui n'est pas naturelle sur les deux derniers siècles est une hausse de la consommation énergétique qui a été multipliée par ~ 10 en 100 ans. La consommation d'énergies fossiles notamment a explosé au cours du siècle dernier or ces énergies sont fortement émettrices de GES. Elles représentent aujourd'hui encore ~ 80% du mix énergétique.
Combustion d'énergies fossiles : En ayant recours aux énergies fossiles - combustion d'hydrocarbures tels que le gaz et le pétrole mais aussi le charbon - pour l'industrie et les transports, tout en réalisant la déforestation, l'humain a généré un excès de CO2 qui est venu accentuer l'effet de serre.
Agriculture et élevage intensifs : D'autres activités, en particulier l'agriculture productiviste et l'élevage intensif, laissent émaner une quantité considérable de méthane.
Déforestation : La déforestation et le retournement des sols. Les sols retournés libèrent une partie du carbone organique qu'ils stockent et la suppression des végétaux limite la captation naturelle du CO2, augmentant sa concentration dans l’atmosphère.
Processus industriels : Les processus industriels tels que la production de ciment et de chaux ou encore les activités des secteurs pétrochimiques et la sidérurgiques sont très émetteurs.
En 2022, l'Agence américaine d'observation océanique et atmosphérique (NOAA) a révélé que la concentration de CO2 dans l'atmosphère avait atteint en moyenne 441,7 parties par million (ppm), soit 2,3 ppm de plus qu'en 2020 et un record depuis au moins un million d'années.
Les rapports successifs du Groupe d'experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) ont démontré la responsabilité humaine dans le réchauffement climatique. En près de deux siècles, l'Homme est parvenu à transformer l'effet de serre, un phénomène pourtant naturel et garant de l’équilibre des écosystèmes, en une menace pour la survie des espèces à l'échelle mondiale.
Les Conséquences du Dérèglement de l'Effet de Serre
Le réchauffement climatique correspond à l’augmentation des températures moyennes à la surface du globe. L’augmentation de la quantité de gaz à effet de serre (GES) a pour conséquence d’augmenter le nombre de rayonnements infrarouges (IR) réfléchis dans l’atmosphère, provoquant ainsi une modification des températures à la surface du globe. Les différents compartiments terrestres voient alors leur température changer.
Certaines conséquences de l'accentuation de l'effet de serre par l'Homme sont déjà bien connues.
Élévation du niveau des mers : L’augmentation du niveau des mers est dûe, en premier lieu, à la modification de la température des mers et océans : sous l'effet de la chaleur, l'eau se dilate et occupe un volume plus important. En second lieu, elle est dûe à la fonte des glaces terrestres ou d’eau douce (calottes glaciaires, glaciers, etc.) sous l’effet de l’élévation des températures atmosphériques.
Fonte des glaces : La fonte des glaciers de montagne, des banquises et calottes polaires - se caractérisant par la diminution de la superficie et de l’épaisseur des glace - est causée par l’augmentation des températures à la surface de la Terre et des températures dans les mers et les océans.
Modification des régimes de précipitations : Les régimes de précipitation se trouvent également modifiés. Une atmosphère plus chaude peut transporter jusqu’à 7 % d’humidité en plus par degré de réchauffement et, plus l’atmosphère est humide, plus la probabilité de pluies est importante. La circulation atmosphérique est modifiée, les vents et les régimes de précipitations aussi.
Intensification des événements extrêmes : On regroupe sous le terme “événement climatique extrême” les inondations, les tempêtes, les sécheresses et canicules, les ouragans, les tornades, les typhons, les vagues-submersion, les feux de forêt ou encore les cyclones. L’évolution du climat a pour conséquences de modifier l’intensité, la fréquence, la durée et la répartition de ces phénomènes extrêmes. Par exemple, les sécheresses (déficit en eau sur une longue période) seront plus fréquentes, plus intenses et plus longues du fait de l'augmentation du phénomène d'évaporation liée à la hausse des températures.
Crise de la biodiversité : Si pour l'instant l'extinction des espèces et le déclin de l'abondance des populations animales et végétales sont avant tout causés par la dégradation des habitats (déforestation, notamment) et la surexploitation des ressources naturelles (surpêche, etc.), le réchauffement climatique est néanmoins amené à devenir le principal facteur de cette crise de la biodiversité dans les décennies et les siècles à venir, selon les données analysées par le Fonds mondial pour la nature (WWF).
Conséquences sociales et environnementales majeures : Une crise environnementale et sociale majeure est donc attendue. Certains deltas en Afrique et en Asie - voire des pays entiers, à l'instar de certaines nations insulaires - seront, d'ici la fin du siècle, engloutis par la montée des eaux à laquelle contribue la fonte des glaces terrestres.
L'Histoire du Concept d'Effet de Serre
La paternité du terme « effet de serre » est principalement associée au français Joseph Fourier. Le naturaliste Horace-Bénédict de Saussure (1740-1799) est l’un des premiers à avoir étudié expérimentalement la capacité de l’atmosphère à piéger la chaleur solaire. Grâce à l’une de ses inventions l’hélio thermomètre (1767) il démontra qu’un milieu transparent peut laisser entrer le rayonnement solaire, limiter les pertes de chaleur et atteindre une température d’équilibre élevée.
En 1824, les calculs du mathématicien et physicien Joseph Fourier (1768-1830) ont permis d’établir les principes fondamentaux qui régissent la température de surface d’une planète (équilibre énergétique). Il est le premier à pressentir l’existence de ce qui sera plus tard appelé l’effet de serre.
En 1856, la scientifique Eunice Foote (1819-1888) réalise des expériences avec des moyens simples mais ingénieux pour l’époque. Elle observe que l’air humide enrichi en dioxyde de carbone (CO₂) se réchauffe davantage que l’air ordinaire. Il reste chaud plus longtemps. Elle émet alors une hypothèse audacieuse : une augmentation du CO₂ dans l’atmosphère entraînerait une hausse de la température terrestre.
Trois ans plus tard (de 1859-1861), le physicien John Tyndall (1820-1893), utilisa des instruments plus perfectionnés (appareil optique). Il mesura la capacité des gaz comme la vapeur d’eau, le CO₂ et le méthane à absorber la chaleur infrarouge, contrairement à l’oxygène et l’azote.
En 1896, le scientifique Svante Arrhenius (1859-1927) s’inspira de ses travaux. Il est le premier à faire le lien entre la combustion des combustibles fossiles et l’augmentation du réchauffement global de la planète. Il calcule que la température moyenne à la surface est d’environ 15oC.
Agir Face à l'Accentuation de l'Effet de Serre
Malgré l'absorption partielle des GES par des puits naturels (forêts, sols et océans) la terre n’arrive plus à équilibrer la concentration en GES, renforçant d'années en années l'effet de serre additionnel et le réchauffement climatique global associé.
L’heure est donc à la mobilisation pour faire baisser le niveau de concentration de gaz à effet de serre dans la troposphère. Privilégier le covoiturage, le vélo ou la marche à pied, le train plutôt que l’avion, les productions alimentaires locales qui n’ont pas nécessité de transport, l’adaptation aux températures en évitant l’usage des climatisations ou des modes de chauffages énergivores en isolant son logement,… sont des moyens faciles à adopter et qui participent à la réduction de nos émissions de gaz à effet de serre.
Dans l’ère numérique, paradoxalement, plus on « dématérialise » plus on utilise de matière et d’énergie. Ou de la même manière, le streaming vidéo et les réseaux sociaux qui à eux seule sont responsable de près de 1% des émissions mondiales de CO2. Alors que faire ? Et bien comme on se le dit depuis le début de l’été => s’adapter ! Tout d’abord, sachez que les vidéos que vous regardez en haute définition sont très polluantes car elles demandent plus d’énergie. Le plus souvent, choisir une résolution plus basse est suffisante et permet de limiter votre émission carbone. De la même manière, lors de vos consultations des réseaux sociaux, désactiver dans vos paramètres la lecture automatique des vidéos qui se déclenchent quand vous scrollez. Dans vos recherches sur le web, inscrivez dans votre barre de favoris tous vos sites préférés ; cela vous permettra d’y accéder rapidement. Moins de temps passé à chercher, c’est aussi moins d’énergie dépensée et d’émission polluante. Fermez les onglets inutiles qui pour être maintenus consomment beaucoup. Choisissez des moteurs de recherche écoresponsables ; il en existe plusieurs qui proposent de transformer chaque consultation en un geste pour la planète (planter un arbre, agir pour l’eau ou l’agriculture écoresponsable) Eteignez votre box la nuit et pendant vos absences. Cette consommation inutile représente celle d’un réfrigérateur pendant un an. Enfin, avez-vous réellement besoin d’un assistant virtuel chez vous pour éteindre la lumière, allumer la radio ou vous indiquer qu’il n’y a plus de yaourts dans le réfrigérateur ? En en prenant conscience, et en mettant en place tous ces petits gestes, le numérique peut aussi devenir une formidable solution aux problèmes écologiques mondiaux. Pensez-y !
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