effet de serre

Phénomène de réchauffement des basses couches de l'atmosphère terrestre induit par des gaz (les gaz à effet de serre [GES] : dioxyde de carbone, méthane, vapeur d’eau, chlorofluorocarbures [CFC], oxyde nitreux, etc.) qui les rendent opaques au rayonnement infrarouge émis par la Terre.

CLIMATOLOGIE

1. Un phénomène naturel amplifié par les activités humaines

L'essentiel de l'énergie reçue par la Terre provient du Soleil sous forme de lumière visible (longueur d'onde comprise entre 400 et 700 nm). Une partie de ce rayonnement (30 % en moyenne) est réfléchie par les nuages ou par la surface terrestre. Cette fraction réfléchie, l'albédo, peut osciller entre 5 % sur une mer calme et 85 % sur de la neige fraîche. Une autre partie (20 %) est absorbée par l'atmosphère, mais l'essentiel du rayonnement solaire (c'est-à-dire 50 %) est absorbé par la surface terrestre (océans et continents). Il est alors transformé en rayonnement infrarouge, c'est-à-dire en chaleur, puis il est renvoyé vers l'espace. Certains gaz contenus dans l'atmosphère absorbent ce rayonnement thermique et réémettent de la chaleur vers la surface terrestre : c'est ce que l'on appelle l'effet de serre, car le processus s'apparente à celui qui se produit dans une serre dont la couverture transparente laisse passer la lumière solaire, mais piège la chaleur en la renvoyant vers les cultures. L'effet de serre est donc un phénomène naturel. Il induit de façon naturelle une température globale moyenne de + 13 °C à la surface de la Terre, permettant à l'eau de se maintenir à l'état liquide et donc à la vie de se développer. Sans l'effet de serre, la température moyenne serait de - 18 °C. En revanche, l'augmentation de l'effet de serre observée aujourd'hui – qui induit une élévation de la température moyenne de la surface terrestre (14,41 °C en 2011) – n'est pas naturelle, mais imputable aux conséquences de certaines activités humaines..

En effet, l'homme, par ses activités, produit des gaz à effet de serre qui amplifient l’effet de serre naturel. Ces gaz modifient le bilan radiatif de la Terre, c’est-à-dire l’équilibre entre l’énergie absorbée par la Terre et celle réémise vers l’espace. Ils ont ainsi été responsables d'un « forçage radiatif » (augmentation de la quantité d’énergie absorbée par la Terre, entraînant une élévation de la température moyenne au sol) estimé à environ 3 W/m² depuis le début de l’ère industrielle, en 1750. Cette variation représente environ 1 % de l'énergie moyenne reçue du Soleil par la surface terrestre (342 W/m²).

1.1. Les gaz à effet de serre

Les gaz contenus dans l'atmosphère qui piègent le rayonnement infrarouge thermique émis par la surface terrestre sont appelés gaz à effet de serre (GES). Ils comportent trois atomes ou plus. Ce sont la vapeur d'eau (H₂O), le dioxyde de carbone ou gaz carbonique (CO₂), le méthane (CH₄), le protoxyde d'azote (N₂O) et l'ozone (O₃), ainsi que les halocarbures ou hydrocarbures halogénés, des gaz purement artificiels. Ces derniers comprennent notamment les gaz fluorés : chlorofluorocarbures [CFC], hydrochlorofluorocarbures [HCFC), hydrofluorocarbures [HFC], perfluorocarbures [PFC]) et hexafluorure de soufre (SF₆).

Tous ces gaz sont très minoritaires dans l'atmosphère – moins de 1 % pour la vapeur d'eau, 0,0375 % pour le CO₂ et des quantités infimes pour les autres –, mais leur effet de serre est important. Pour s'en rendre compte, on peut comparer leur action dans l'atmosphère de deux planètes voisines de la Terre : Mars et Vénus. Sur Mars, l'atmosphère, principalement constituée de CO₂, est très peu dense ; l'effet de serre y est donc peu important et la température moyenne à la surface de cette planète est de - 55 °C. En revanche, sur Vénus, l'atmosphère, également constituée de CO₂, est très dense. Sans effet de serre, Vénus aurait une température au sol de - 18 °C ; mais l'effet de serre important y impose une température de + 460 °C. Sur Terre, le CO₂ est responsable à lui seul de 39 % de l'élévation de température par effet de serre (contre 55 % environ pour la vapeur d'eau).

Les différents GES n’ont pas le même impact sur le réchauffement. Par exemple, le méthane est un GES beaucoup plus puissant que le CO₂ : il a un pouvoir de réchauffement 25 fois supérieur. C’est pourquoi on utilise comme mesure, pour quantifier les effets de chaque GES, l’équivalent carbone ou potentiel de réchauffement global (PRG), qui est égal à 1 pour le CO₂. À titre d’exemple, le PRG est, sur 100 ans (la durée de vie du CO₂ dans l’atmosphère) de 25 pour le méthane, 298 pour le protoxyde d’azote, 7 400 à 12 200 pour les perfluorocarbures (PFC), 120 à 14 800 pour les hydrofluorocarbures (HFC) et 22 800 pour l’hexafluorure de soufre. On n’attribue pas de PRG à la vapeur d’eau, car elle ne reste dans l’atmosphère que 1 à 2 semaines, et ne contribue donc pas au réchauffement climatique à moyen ou long terme (20 ou 100 ans).

1.2. La production de GES par les activités humaines

Les émissions de gaz carbonique

Chaque année, des milliards de tonnes de CO₂ sont émis dans l’atmosphère, une quantité en augmentation constante. En 2010, ce sont 36 milliards de tonnes de CO₂ (soit près de 10 milliards de tonnes de carbone) qui ont été libérés, ce qui représente une augmentation de 40 % sur 20 ans. Ce CO₂ provient, pour sa partie naturelle, de la respiration des plantes et des animaux, pour sa part anthropique (due à l’homme) de la combustion des sources d’énergie fossile (pétrole, charbon, gaz naturel) et de la déforestation.

Près de la moitié du CO₂ émis reste dans l’atmosphère, où il persiste pendant des siècles ; environ 30 % est absorbé par la végétation, et 25 % par les océans. La concentration de CO₂ dans l’atmosphère ne cesse donc d’augmenter. Grâce notamment au prélèvement et à l’analyse de carottes de glace dans l’Antarctique, on a pu estimer que, en 2011, 375 milliards de tonnes de carbone avaient été émis depuis 1750 (début de la révolution industrielle). Au final, on estime que le CO₂ est responsable de près de 60 % de l’effet de serre additionnel (par rapport à l’effet de serre naturel), et de 85 % du réchauffement climatique constaté au cours de la décennie 2000-2010.

La production de CFC et de leurs substituts

Les CFC ont été fabriqués par l'homme comme gaz réfrigérants, pour la production de mousses plastiques et pour la propulsion d'aérosols. On connaît leur impact dramatique sur la couche d'ozone stratosphérique – ils ont la propriété de détruire les molécules d’ozone – ; ils ont aussi un potentiel de réchauffement considérable de la troposphère (première couche de l'atmosphère, épaisse d'une dizaine de kilomètres) : à masse égale, des milliers de fois celui du CO₂. Heureusement, leur teneur est infime par rapport à celle du CO₂ – l’ensemble des gaz artificiels halogénés représentaient tout de même, à la fin des années 2000, 10 % de l’effet de serre d’origine anthropique. La signature du protocole de Montréal en 1987 a permis la limitation de leur production, cependant leur durée de vie dans l'atmosphère est très longue (de 58 à 520 ans selon le type de CFC). Par ailleurs, les substituts des CFC mis au point pour les remplacer (comme les HCFC et les HFC), s’ils sont inoffensifs pour la couche d’ozone, sont malheureusement aussi de puissants GES.

Les autres gaz

Parmi les autres gaz à effet de serre produits par l'homme, il faut citer le méthane (CH₄), issu de la culture des rizières et de l'élevage des ruminants, le protoxyde d'azote (N₂O), provenant de l'usage intensif des engrais azotés, et l'ozone (O₃) troposphérique, formé à partir de la combustion des hydrocarbures et des forêts.

1.3. Le cycle du carbone perturbé

Le dioxyde de carbone joue un rôle important dans l'effet de serre : l'augmentation de sa teneur dans l'atmosphère se traduit par une croissance de la température à la surface de la Terre. Pour tenter de comprendre cette tendance, il convient de mesurer les échanges de cet élément qui s'effectuent entre l'atmosphère, les océans, les continents et la biosphère (ensemble des êtres vivants) : c'est le cycle du carbone. La biosphère et l'atmosphère sont sources d'échanges incessants, mais équilibrés : les êtres vivants se développent en partie à partir du CO₂ contenu dans l'atmosphère, molécule essentielle à la matière organique. Par exemple, pour les végétaux, c'est la chlorophylle qui capte le CO₂, avec l'aide de l'eau et de la lumière solaire, permettant leur croissance : c'est la photosynthèse. Les forêts constituent ainsi ce que l’on appelle des puits de carbone. En compensation, les espèces biologiques restituent le carbone à l'atmosphère par respiration et en incorporent une partie dans la lithosphère (enveloppe externe de la Terre, épaisse d'une centaine de kilomètres) par fossilisation. La lithosphère contient en effet d'importantes réserves de carbone qui ne sont livrées à l'atmosphère que si elles sont exploitées par l'homme (pétrole, gaz naturel et charbon). Et, comme elles le sont effectivement, l'équilibre naturel est rompu ; la quantité de carbone supplémentaire dans l'atmosphère est de plusieurs milliards de tonnes par an et ne cesse d’augmenter. Parallèlement, les océans apparaissent comme des pompes à carbone (environ 2,5 milliards de tonnes de carbone par an). En effet, les courants océaniques – notamment celui des eaux froides et salées de la mer de Norvège – emportent du CO₂ pris à l'atmosphère lorsqu'ils plongent vers les abysses. Mais l’augmentation constante de la teneur en carbone de l'atmosphère est à l’origine d’un phénomène d’acidification des océans (auquel contribuent également l’azote issu des activités agricoles et le soufre provenant de l’utilisation des combustibles fossiles).

Par ailleurs, on constate aujourd’hui que la capacité des puits de carbone à remplir leur rôle diminue : en effet, en 2000, pour 1 tonne de CO₂ émise, 600 kg étaient absorbés par les océans et les forêts ; en 2006, seuls 550 kg étaient absorbés.

2. Un réchauffement climatique annoncé

La température moyenne à la surface de la Terre a augmenté de 0,75 °C entre 1906 et 2005. En France, elle a augmenté en moyenne de 1° C. Ce réchauffement est confirmé par le recul des glaciers sur toute la surface du globe, l'accroissement de la dérive des icebergs et de la fragmentation des banquises, ainsi que la montée du niveau des océans. Si on a pu envisager à une époque que ce réchauffement suivait un cycle naturel débuté à la fin du Petit Âge glaciaire (période froide du xv^e au xviii^e s.), la quasi-totalité des climatologues s’accordent aujourd’hui pour dire qu'il est dû à un renforcement de l'effet de serre consécutif à certaines activités humaines – la courbe de l’augmentation de la température moyenne à la surface de la Terre suit d’ailleurs parfaitement celle de l’accroissement de la teneur en CO₂ de l’atmosphère.

2.1. Les modélisations

Les modélisations sont délicates, car elles doivent prendre en compte de nombreux facteurs. Elles prévoient une augmentation de la température globale de 2 à 6 °C d'ici à 2100 (jusqu’à 7 °C selon les estimations les plus pessimistes) si rien n'est changé dans nos productions de gaz à effet de serre. Cela peut paraître insignifiant, mais il faut noter qu'il s'agit de valeurs moyennes, avec des écarts plus importants pour certaines régions, amplifiés par le cycle des saisons. Pour bien s'en persuader, il suffit de comparer les températures globales actuelles avec celle du Petit Âge glaciaire (environ 1 °C plus basse) et celle de la dernière glaciation, il y a 20 000 ans (de 4 à 5 °C plus basse). À ces époques, le climat était bien différent ; avec le réchauffement actuel, la variation climatique s'effectue beaucoup plus rapidement que lors des cycles naturels. Même en réduisant les GES, une partie du réchauffement est inéluctable, en raison de la persistance des GES dans l’atmosphère et de l’inertie du système climatique ; on peut, simplement, espérer le limiter à 2 °C, si les émissions de GES cessent d’augmenter entre 2015 et 2020 et diminuent ensuite et si, parallèlement, on parvient à prélever du CO₂ dans l’atmosphère et à le stocker dans des puits de carbone.

2.2. Les conséquences du réchauffement

Si les conditions actuelles ne varient guère, il est raisonnable de penser que la fonte partielle des glaces polaires (les modélisations prévoient une disparition de la banquise arctique en été dès 2040 ou 2060), ajoutée à la dilatation des océans, provoquera une élévation du niveau de la mer de 30 cm à 1 m (voire 2 m) par rapport au niveau actuel, vers la fin du xxi^e siècle. L'avancée des mers inondera les régions les plus basses comme le Bangladesh ou les Pays-Bas, les deltas des grands fleuves (Nil, Niger, Gange, etc.) et de nombreux atolls et îles situés à fleur d'eau. De plus, le réchauffement augmentera la fréquence des phénomènes climatiques extrêmes, comme les cyclones, qui se forment au-dessus des eaux chaudes. Sur les continents, une augmentation du CO₂ dans l'atmosphère devrait permettre une meilleure croissance des plantes, si toutefois l'augmentation des précipitations due à une plus grande quantité de vapeur d'eau atmosphérique compense la plus forte évaporation. Ce scénario favorable pourrait se produire au Canada, en Europe du Nord, en Russie (Sibérie), mais aussi dans certaines régions tropicales. En revanche, on peut s'attendre à une aridification du sud de l'Europe et du pourtour méditerranéen. Tous les modèles prévoient des pluies plus abondantes dans les régions tropicales (moussons plus intenses). Par ailleurs, le réchauffement aura des conséquences sur la biodiversité et les écosystèmes, qui sont d’ores-et-déjà affectés : expansion de l’aire de répartition d’espèces tropicales vers des régions tempérées, floraison des plantes avancée, blanchiment des coraux, etc.

Dans tous les cas de figure, l'inégalité entre le Nord et le Sud devrait se renforcer. Les pays les mieux informés et disposant des moyens nécessaires pourront adapter leurs cultures au changement climatique ; il en sera tout autrement pour les pays du Sud, plus durement touchés et plus faibles économiquement, ce qui laisse présager d'importants flux migratoires de ceux que l’on appelle déjà les réfugiés climatiques.

2.3. La surveillance du climat

Depuis les années 1970, les scientifiques ont informé les autorités politiques de la menace d'un réchauffement climatique, pris en relais par les médias et les organisations non gouvernementales (ONG) à tendance écologique (Greenpeace, WWF, etc.). En 1988, l’Organisation météorologique mondiale (OMM) et le Programme des Nations unies pour l’environnement (PNUE) ont créé un organe intergouvernemental destiné à comprendre le changement climatique d’origine humaine, évaluer ses conséquences et envisager des stratégies d’adaptation et d’atténuation : le Groupe d’experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC). Le réchauffement climatique est devenu une certitude, et un protocole de réduction chiffrée des gaz à effet de serre a été établi pour chaque pays (protocole de Kyoto). La conférence de La Haye, en novembre 2000, a mis en lumière les difficultés de mise en application des décisions prises, compte tenu des intérêts divergents des différents pays, notamment des oppositions entre l'Europe et les États-Unis. En dépit de l'ensemble des obstacles rencontrés depuis sa création, le protocole de Kyoto est entré en vigueur en février 2005. En 2007, année de son quatrième rapport d’évaluation, le GIEC a reçu le prix Nobel de la paix e (conjointement avec l’homme politique américain Al Gore).