L'effet de serre est un processus naturel résultant de l'influence de l'atmosphère sur les différentsflux thermiques contribuant auxtempératures au sol d'unobjet céleste. La prise en compte de ce processus est nécessaire pour comprendre les températures observées à la surface desplanètes ousatellites recouverts d'une atmosphère épaisse comme laTerre,Vénus etTitan, et le processus doit se produire aussi pour certainesexoplanètes. Le terme fait référence à l'effet analogue qu'uneserre a sur la température desplantations qu'elle abrite.
Dans unsystème stellaire, l'essentiel de l'énergie thermique reçue par une planète ou un satellite provient durayonnement stellaire. En l'absence d'atmosphère, cet objet en réfléchit une partie, absorbe le reste et rayonne essentiellement comme uncorps noir, ce qui conduit à une certaine température au sol. Une atmosphère réfléchit, absorbe et réémet une partie du rayonnement reçu de l'étoile, et réfléchit, absorbe et réémet également une partie du rayonnement reçu de la surface de l'objet. Ces différents processus modifient l'équilibre thermique à la surface de l'objet, notamment parce que l'atmosphère ne réfléchit et n'absorbe pas également les différentescomposantes spectrales d'un rayonnement incident alors que la répartition spectrale du rayonnement stellaire et celle du rayonnement reçu de la surface sont très différentes.
L'expressioneffet de serre s'est popularisée dans le cadre de la vulgarisation duréchauffement climatique, dû auxgaz « à effet de serre » qui se sont accumulés dans l'atmosphère terrestre en raison des activités humaines. Ces gaz absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface plus que lerayonnement solaire, et réémettent ce rayonnement vers le haut comme vers le bas : le rayonnement réémis vers le bas s'ajoute au rayonnement solaire direct. Le bilan global est que la température au sol est supérieure à ce qu'elle serait en l'absence d'une atmosphère, et qu'elle augmente au fur et à mesure qu'augmente la concentration de l'atmosphère en gaz à effet de serre[1]. Lebilan radiatif décrit les mécanismes de l'effet de serre. Le GIEC utilise le terme deforçage radiatif pour décrire la modification dubilan radiatif induite par une modification de la concentration d'un gaz à effet de serre ou d'un autre forçage climatique[2].
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 lesocéans, lecycle de l'eau et le forçage radiatif de l'atmosphère.
La question de l'équilibre entre l'énergie reçue du Soleil (par rayonnement visibles ) et celle réémise par la Terre (par rayonnements thermiques), et du rapport entre cet équilibre et la température terrestre, remonte à la fin duXVIIIe siècle.Dans lesannées 1780,Horace-Bénédict de Saussure mesure les effets thermiques durayonnement solaire à l'aide de boîtes transparentes qu'il dispose dans la vallée et au sommet d'une montagne[3].En1824,Joseph Fourier publieRemarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires[4], dans lesquelles il affine l'analyse desexpériences de Horace-Bénédict de Saussure, en concluant « latempérature du sol est augmentée par l'interposition de l'atmosphère, parce que lachaleursolaire trouve moins d'obstacles pour pénétrer l'air, étant à l'état delumière, qu'elle n'en trouve pour repasser dans l'air lorsqu'elle est convertie en chaleur obscure»[5],[6].
En1857,Eunice Newton Foote publieCircumstances affecting the Heat of the Sun's Rays dans la revueAmerican Journal of Science[7]. 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 ledioxyde 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 en2011[8].
En1861,John Tyndall identifie à son tour les principaux responsables de ce mécanisme : lavapeur 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 duclimat[9].En1896,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 de4 °C la température moyenne[10]. Il espère ainsi que l'exploitation ducharbon permettra de surmonter la prochaine ère glaciaire due à l'orbite terrestre. Legéologue américainThomas 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[11]. De ce fait, le terme scientifique adopté par leGIEC, utilisé pour décrire l’influence des composants de l'atmosphère bloquant le rayonnement infrarouge sur le bilan thermique de la Terre, est «bilan radiatif» et non « effet de serre »[réf. souhaitée].
L'expression synthétiqueeffet de serre provient de la vulgarisation au début desannées 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[12], les premières alertes pour infléchir les décisions politiques sont lancées au début des années 1980 en utilisant cette expression[13], reprise par la suite dans des rapports de plus en plus médiatisés, comme lerapport Brundtland (1987). EnFrance,Jean-Marc Jancovici etHervé Le Treut ont vulgarisé lesrisques liés à l'effet de serre depuis lesannées 1980.
Le climat de la Terre est largement déterminé par lebilan 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[14]) à plus de +1,0 W/m2 en 2019[15].
Lorsque lerayonnement solaire atteint la Terre, une partie (environ 30 %) est directementréfléchie, c'est-à-dire renvoyée vers l'espace, par l'atmosphère terrestre et la surface de laTerre (océans et continents). L'albédo est la mesure de cet effet de miroir. L'énergie incidente qui n'a pas été réfléchie vers l'espace (70 %) est absorbée par l'atmosphère (20 %) et la surface terrestre (50 %).
L'énergie absorbée par la surface du sol ou de l'océanréchauffe cette surface. La température de surface augmentant, la surface réémet cette énergie, en partie (17 à 20 %) sous forme de rayonnementsinfrarouges lointains (dans la plage8–13μm, correspondant au « rayonnement ducorps noir » pour la température du sol), mais principalement (25 %) sous forme d'évaporation, ce qui consomme lachaleur latente d'évaporation et charge l'atmosphère envapeur d'eau.
Le rayonnement s'échappe dans l'espace, dans la plage de rayonnement pour laquelle l'atmosphère est transparente. Cependant, une partie de ce rayonnement est bloquée par les plages d'absorption de certains gaz, en particulier la vapeur d'eau (H2O) et le gaz carbonique (CO2), pour lesquels l'épaisseur optique de l'atmosphère est de plusieurs centaines. L'atmosphère étant totalement opaque à ces rayonnements, l'énergie associée reste localisée : au lieu de s'échapper dans l'espace, cette partie du rayonnement (de l'ordre de 20 W m−2) reste bloquée dans la basse atmosphère, dont elle augmente la température.
L'effet de serre ne s'intéresse qu'à ces rayonnements absorbés par lesgaz à effet de serre, ce qui contribue à réchauffer l'atmosphère.
Sans effet de serre (ce qui implique notamment : sans vapeur d'eau et sans nuages), et à albédo constant, on évalue couramment que la température moyenne sur Terre chuterait à−18 °C[16], température d'équilibre d'un corps noir exposé au Soleil. Ce calcul suppose que la température d'équilibre de la Terre ne varie pas sensiblement entre le jour et la nuit, et est constante sur l'ensemble de la planète. Mais à cette température laglace s'étendrait sur le globe, l'albédo terrestre augmenterait, et la température se stabiliserait vraisemblablement en dessous de−50 °C (voirglaciation Varanger). Sans atmosphère opaque aux rayonnements, la Terre serait en réalité dans la même situation que la Lune, qui a une température moyenne de−77°C (en effet, lerayonnement du corps noir variant en T4, l'émission de la température moyenne est très inférieure à la moyenne des émissions d'une distribution réelle).
Bilan énergétique de l'atmosphère : L'énergie rayonnée en infrarouge par l'atmosphère en haute altitude (59% de l'énergie solaire reçue) n'est que faiblement due au rayonnement thermique de la surface (qui ne contribue qu'à hauteur de 5%) mais principalement à l'absorption directe de l'énergie solaire (23%), au transfert de chaleur latente par la vapeur d'eau (25% par évaporation) et à un moindre degré à l'énergie cinétique de convection (5%).
Le transfert de chaleur entre la Terre et l'atmosphère se fait, conformément audeuxième principe de la thermodynamique, du chaud (la terre) vers le froid (l'atmosphère).
L'atmosphère chauffée ne peut pas refroidir par rayonnement, parce que les gaz ne peuvent rayonner que suivant les fréquences qu'ils absorbent : dans la plage d'infra-rouge où l'atmosphère est transparente[17], elle ne peut ni absorber ni émettre ; et dans la plage où elle est opaque, le rayonnement ne peut pas se propager à longue distance. C'est parce que les échanges par rayonnements sont négligeables que la météorologie considère que l'évolution des masses d'air estadiabatique, et fonde ses prédictions sur legradient adiabatique dans l'atmosphère.
La seule possibilité pour évacuer l'énergie bloquée est de transformer une partie de l'énergie bloquée en énergie mécanique, parconvection (réchauffement et humidification de l'air au contact du sol puis ascension de cet air et libération de lachaleur latente de la vapeur d'eau lorsqu'elle se condense ennuages). La convection peut se faire à petite échelle (cellule orageuse), moyenne échelle (cyclone), ou à l'échelle planétaire par lescellules de Hadley. La convection, principalement celle de lazone de convergence intertropicale, est le moteur qui met en mouvement toute lacirculation atmosphérique. Elle permet aux masses d'air chauffées d'atteindre le niveau de latropopause, altitude à laquelle l'épaisseur optique de la vapeur d'eau (et à moindre titre du CO2) est suffisamment faible pour permettre aux rayonnements émis de s'échapper dans l'espace.
L’altitude où l’épaisseur optique devient suffisamment faible pour que lerayonnement thermique s’échappe dans l’espace est une donnée fondamentale pour l’équilibre thermique d’une planète. Vu de l’espace, c’est l’altitude à laquelle l’observation de cette planète montre pour cette longueur d’onde une « surface » brumeuse interdisant la perception de détails plus profonds. Cette surface émettrice doit accorder la puissance moyenne rayonnée par la planète avec la puissance reçue du Soleil (après soustraction de ce qui est dû à l'albédo), ce qui fixe sa température d’équilibre par laloi de Stefan-Boltzmann (après prise en compte de l'émittance de ces couches).
Vous pouvez aider, soit en recherchant des sources de meilleure qualité pour étayer les informations concernées, soiten attribuant clairement ces informations aux sources qui semblent insuffisantes, ce qui permet de mettre en garde le lecteur sur l'origine de l'information. Voir lapage de discussion pour plus de détails.
Modélisation par échanges radiatifs et température de corps noir : le sol rayonne, l'atmosphère en absorbe une fraction et réémet, dont la moitié vers le sol. L'atmosphère contribue donc à réchauffer le sol.
Lebilan énergétique résumé précédemment n'est pas fondamentalement contestable, même si les chiffres exacts peuvent varier d'une source à l'autre. En revanche, la désignation « effet de serre » conduit à développer l'image incorrecte d'une atmosphère comparable à une vitre s'interposant entre le sol et l'espace, pour bloquer le rayonnement infra-rouge dû à la température du sol, et rayonner vers l'espace à sa propre température. Cette image erronée est souvent reprise dans des présentations qui se veulent didactiques[19],[20],[21].
Une telle explication est incorrecte pour de nombreuses raisons[22].
On ne peut pas modéliser l'effet de serre par des échanges purement radiatifs, parce que les gaz sont opaques aux fréquences auxquelles ils émettent, et sont de ce fait un obstacle à la propagation deradiations dans l'atmosphère sur ces fréquences.
L'atmosphère étant opaque aux rayonnements infrarouge, du fait des gaz à effet de serre, c'est le bas de l'atmosphère qui est réchauffé alors que c'est le haut qui se refroidit. Le modèle considère que l'atmosphère a une température unique.
Comme toutes les modélisations fondées sur un « équilibre radiatif », la modélisation suppose que les différentes tranches émettent des infrarouges suivant une loi de Stefan-Boltzmann[23],[24]. C'est approximatif pour le sol, mais incorrect pour les gaz, parce que les gaz (même à effet de serre) sont en partie transparents aux infrarouges et n'émettent pas sur les fréquences correspondantes, les émissions de masses d'air sont très inférieures à celles d'un corps noir de même température.
La modélisation n'explique pas les températures extrêmes à la surface deVénus, alors que la lumière du Soleil ne parvient pas à en atteindre la surface.
Si la majorité des rayonnements solaires traversent l'atmosphère pour toucher le sol (enrouge), la plus grande partie du rayonnement émis par la Terre n'est pas transmise (enbleu) mais absorbée par l'atmosphère (en gris). L'absorption des rayons infrarouges est principalement due à la vapeur d'eau.
Lesgaz à effet de serre sont les composantsgazeux 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 desinfrarouges émis par la surface de la planète.
Les activités humaines génèrent desgaz 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 leréchauffement climatique[26]. 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[27]. 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), dudioxyde de carbone (CO2) et duméthane (CH4). La preuve que l'augmentation du CO2 atmosphérique est d'origine humaine se fait par analyseisotopique.
Répartition des gaz à effet de serreanthropiques (dus aux activités humaines)[28] :
Nom
Formule
Contribution à l'effet de serre additionnel (hors [H2O])
L'ozone est fourni en grande quantité par l'activité industrielle humaine, alors que lesCFC encore largement utilisés détruisent, eux, l'ozone, ce qui fait que l'on peut constater un doublephénomène :
une accumulation d'ozone dans latroposphère au-dessus des régions industrielles ;
une destruction de l'ozone dans lastratosphère au-dessus des pôles.
Lacombustion descarbones fossiles comme lecharbon, lepétrole ou legaz naturel (méthane) rejette du CO2 en grande quantité dans l'atmosphère : la concentration atmosphérique engaz carbonique a ainsi augmenté de137ppm, passant de la valeur pré-industrielle de 280 à 417 ppm aujourd'hui (2021)[29]. Un des secteurs d'activités qui dégagent le plus de gaz à effet de serre est celui de l'énergie (à ce sujet, voir l'article « Énergie et effet de serre »). Ces combustibles augmentent la concentration de l'atmosphère en gaz à effet de serre car ils étaient enfouis dans le sol depuis des milliers ou millions d'années, ce qui rompt l'équilibre. Cet ajout de gaz carbonique dans l'atmosphère n'est pas complètement compensé par une plus grande absorption : seule la moitié est recyclée par lanature, l'autre reste dans l'atmosphère et augmente l'effet de serre[30].
La seconde cause d'émission de gaz à effet de serre est ladéforestation, qui est responsable à elle seule de 20 % des émissions mondiales[31][source insuffisante]. Les déboisements les plus importants concernent les trois grandesforêts tropicales que sont laforêt amazonienne, laforêt du bassin du Congo, et laforêt 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[30].
Les activités humaines dégagent donc une abondance de GES : les scientifiques duGIEC qui étudient le climatestiment que l'augmentation des teneurs en gaz d'origineanthropique est à l'origine d'unréchauffement climatique.
En France, selon legroupeFacteur 4, les émissions degaz à effet de serre proviennent destransports 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 desdéchets (3 %). Depuis1990, 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[32][source insuffisante].
Dans le cadre de la réduction des émissions de gaz à effet de serre engendré par la circulation automobile, une étude[33] réalisée pour le PREDIT[34] 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.
On craint au pire le déclenchement d'unerétroaction 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 lepergélisol, leshydrates de méthane marins ou labiomasse.
Si cela se produit et les réactions ne se terminent qu'après avoir produit une grande augmentation de la température, cela s'appelle unrunaway 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 serrepourrait être causé par la libération deméthane à partir des clathrates (hydrates de méthane qui tapissent le fond des océans) à la suite duréchauffement climatique. On suppose quel'extinction massive d'espèces lors du Permien-Trias a été causée par un tel emballement[35]. Il est également estimé que de grandes quantités de méthane pourraient être libérées de latoundra 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[36],[37], et que celui contenu dans le pergélisol n'avait que peu de chance de s'en échapper[38][source insuffisante].
L'effet de serre n'est pas en soi nocif auxécosystèmes ; 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 ditesévoluées puissent s'adapter aux changements de température et depluviométrie. Des écosystèmes marins et littoraux pourraient également être touchés par une hausse duniveau de la mer, par la modification descourants marins[39] 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[40]. 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.
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[45],[46]. En remplaçant leverre qui recouvre une serre par duhalite, 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 lacommunauté scientifique pour décrire l’influence des composants de l'atmosphère bloquant le rayonnement infrarouge sur le bilan thermique de la Terre, estforçage radiatif.
Le fonctionnement d'une serre s'explique essentiellement par une analyse de laconvection et non durayonnement : lachaleur s'accumule à l'intérieur de la serre car les parois bloquent les échanges convectifs entre l'intérieur et l'extérieur.
Lapertinence de cette section est remise en cause. Considérez son contenu avec précaution.Améliorez-le oudiscutez-en, sachant quela pertinence encyclopédique d'une information se démontre essentiellement par des sources secondaires indépendantes et de qualité qui ont analysé la question.(août 2022) Motif avancé : confus et anecdotique
L'évaluation de la température moyenne de la terre se fonde généralement sur laloi 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'uncorps 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[47].
Confusion entre effet de serre et trou dans la couche d'ozone
Lapertinence de cette section est remise en cause. Considérez son contenu avec précaution.Améliorez-le oudiscutez-en, sachant quela pertinence encyclopédique d'une information se démontre essentiellement par des sources secondaires indépendantes et de qualité qui ont analysé la question.(août 2022) Motif avancé : anecdotique
L'effet de serre et le réchauffement climatique qu'il induit sont assez souvent confondus avec l'altération de la couche d'ozone[48]. Il s'agit pourtant de deux phénomènes bien distincts, le premier concernant la rétention dans l'atmosphère des rayonnementsinfrarouges (autrement dit de la chaleur) émis par la surface de la planète ; le second, concernant l'augmentation de la transparence de l'atmosphère auxultraviolets. Par ailleurs, si les principaux responsables de l'altération de la couche d'ozone (O3), à savoir lesCFC (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 ou le méthane, n'ont aucun effet sur la couche d'ozone.
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(en)carbonmap, cartographie animée en anamorphoses, comparant les régions du monde en termes d'émission, de consommation, de production, de population, de risque liés au carbone fossile
(en) « Climate trace », carte et chiffrage des principaux sites industriels produisant des gaz à effet de serre dans le monde
