Qu'est-ce que l'effet de serre : une explication scientifique du fonctionnement
Le mécanisme de l'effet de serre :
Il s'agit d'un effet naturel de la basse atmosphère, ou troposphère (située de 0 à 11000 mètres) qui contribue à retenir une partie de la chaleur solaire reçue sous forme de rayonnement à la surface de la Terre et à maintenir l'équilibre thermique de la planète. Sans ce phénomène naturel la température de notre planète serait de - 18 degrés Celsius, soit 33 degrés de moins que la normale. La Terre serait, comme la Lune, trop froide pour entretenir la vie.
L'effet de serre est un terme populaire désignant un des rôles que joue l'atmosphère dans l'écosystème planétaire. L'atmosphère est la serre naturelle de la Terre ; tout comme le verre qui retient la chaleur à l'intérieur de la serre, elle conserve la chaleur dégagée par le soleil près de la surface terrestre et y maintient une température et des conditions de vie acceptables. Tout le mécanisme contribue donc à notre Vie et sans lui, qui est présent naturellement, nous n'existerions peut-être pas.
Ainsi à l'origine l'effet de serre a permis l'apparition de la vie sur Terre. Il permet aussi de réduire considérablement la différence de température entre le jour et la nuit. C'est ce qu'on appelle l'effet diurne. Le rayonnement solaire sur d'autres planètes dépourvues d'atmosphère riche en gaz à effet de serre, rebondit simplement sur le sol et repart dans l'espace : c'est ce qui se produit sur le satellite de la Terre. Les gaz à effet de serre, dits les GES, permettent de conserver cette chaleur en capturant cette énergie rayonnante : ils retiennent la chaleur solaire en évitant qu'elle reparte dans l'atmosphère par réverbération sur le sol terrestre.
La Terre reçoit une puissance de 340 Watt par mètre carré grâce au soleil. Mais toute cette énorme énergie n'arrive pas à destination, en effet la surface blanche des nuages de basse altitude en réfléchissent une partie, de même au niveau du sol avec les calottes polaires, les étendues enneigées et les déserts de sable clair (le pouvoir réfléchissant d'une surface est appelé Albédo). 30 % du rayonnement repart ainsi se perdre dans l'espace glacial. Ainsi finalement 70 % de l'énergie solaire soit 240 Watt par mètre carré sont absorbés par le sol, les océans et les nuages en altitude. Ceci est dû au fait que l'atmosphère laisse passer les ultraviolets, la lumière et des infrarouges. Le flux énergétique n'est donc pas stoppé, à l'exception de l'ozone qui intercepte les ultraviolets les plus dangereux. L'énergie du Soleil est dite à ondes courtes (inférieures à 0.31 mm).
La Terre absorbe cette énergie et la restitue en la ré émettant. Les rayons émis par la Terre sont moins énergétiques : ils sont situés dans l'infrarouge lointain, ce que nous ressentons sous forme de chaleur. Et cette restitution moins énergétique est la clé du système. Ce phénomène est comparable à des briques réfractaires de l'âtre de cheminée qui absorbent l'énergie de la flamme et dissipent de la chaleur une foi le feu éteint.
Ainsi la surface du sol qui est à des températures entre -70 et +50°C, émet un rayonnement vers l'espace. Cette énergie est absorbée et ré émis par les gaz atmosphériques minoritaires à molécules poly atomiques ( vapeur d'eau H2O, dioxyde de carbone CO2, ozoneO3, méthane CH4......) sans intervention des gaz majoritaires : ce sont les gaz à effet de serre. Ils freinent la déperdition de chaleur donc d'énergie vers la haute atmosphère et vers l'espace. Ainsi, la troposphère se comporte comme la vitre qui maintient la chaleur à l'intérieur d'une serre.
L'atmosphère permet donc au rayonnement du soleil de pénétrer jusqu'au sol mais retient prisonnière une partie importante de la chaleur émise en retour par la Terre. Cette énergie piégée et renvoyée au sol fait pratiquement doubler la puissance totale disponible, puisque celle-ci atteint désormais 490 Watt par mètre carré.
D'une façon assez simplifiée on peut dire que le climat de la terre est le résultat d'un équilibre thermodynamique. Le système constitué de la planète et de son atmosphère reçoit de l'énergie (pour la quasi-totalité de source solaire) et en perd vers l'espace par rayonnement. Les apports et les pertes énergétiques ont, au cours du temps subi un grand nombre de fluctuations naturelles ou humaines, et l'équilibre entre les apports et les pertes (globalement et localement, en chaque point de la planète) a évolué. Dès lors le climat de la terre a subi de nombreuses modifications au cours des millions d'années qui nous ont précédés, les écosystèmes ont changé, évolués, ce qui peut expliquer la naissance de certaines espèces. Or l'étude de ces variations du climat n'est pas chose simple.
Le soleil est la source chaude de la machine thermique que constitue le système {terre/atmosphère}. Celui-ci reçoit l'énergie du soleil, l'emmagasine, la transforme (notamment en mouvements atmosphériques et océaniques) et finalement la restitue à l'espace interplanétaire par rayonnement.
Voici un résumé du mécanisme assez complexe
Les gaz à effet de serre, quel est le rôle précis de ces gaz :
Les gaz qui constituent l'atmosphère, et la façon dont l'énergie les traverse ou est absorbée par ceux-ci, jouent un rôle crucial dans la régulation de la température de la planète. L'atmosphère, principalement composée de molécules d'azote (78 pour cent) et d'oxygène (21 pour cent), contient de petites quantités de gaz appelés gaz radiatifs actifs. Ces gaz laissent passer presque toute la lumière, principalement le rayonnement visible, à travers l'atmosphère jusqu'à la surface de la planète. Ensuite, la terre émet le rayonnement thermique (infrarouge) vers l'espace, ce qui maintient un équilibre énergétique : la quantité qui entre dans le système {terre/atmosphère} est la même que celle qui le quitte. En chemin, quittant l'atmosphère, ce rayonnement thermique est intercepté par les gaz radiatifs actifs. Ils absorbent le rayonnement sortant, ce qui augmente leur température. Cette intéraction entre l'émission du rayonnement thermique et l'absorption par l'atmosphère élève la température globale de la planète et du système atmosphérique au-delà de ce qu'elle serait si l'atmosphère n'était pas présente.
C'est la structure des molécules de certains gaz (raies d'absorption,...) qui les rend aptes à rabattre vers le sol les rayons infrarouges
La plupart des gaz à effet de serre ont une origine naturelle. Parmi eux la vapeur d'eau atmosphérique joue le rôle le plus important en se comportant comme un couvercle percé d'une fenêtre. L'eau est, en effet, capable de retenir la chaleur de la Terre sur certaines longueurs d'ondes, mais elle en laisse échapper une partie par la fenêtre atmosphérique. Les gaz à effet de serre présents à l'état de traces dans l'atmosphère vont retenir la chaleur précisément là où la vapeur d'eau ne le fait pas. Résultat évident : la fenêtre se referme.
Les principaux gaz à effet de serre
Le gaz carbonique (CO2) :
il est de loin le facteur le plus important du changement climatique. Il contribue environ 64 pour cent du réchauffement actuel estimé. Une fois émise, une molécule de CO2 circule dans la biosphère avant d'être définitivement mise hors de circulation par les processus océaniques ou par l'accroissement, pour une période prolongée, du stockage par les plantes. Le temps nécessaire pour qu'environ 63 pour cent des émissions d'un gaz soient éliminées de l'atmosphère est appelé le temps de séjour effectif. Ce paramètre, de première importance pour calculer les effets climatiques d'un GES, souffre d'une grande incertitude. Quand le taux d'émission d'un GES est supérieur au taux d'élimination, le résultat est un accroissement de sa concentration atmosphérique. L'augmentation du CO2, quant à elle, dure depuis le siècle dernier, au moins. La fourchette du temps de séjour effectif du CO2 se situe entre 50 et 200 ans, selon les estimations.
Le méthane (CH4) : Les émissions de méthane, qui contribuent à environ 20 pour cent du réchauffement global estimé, sont une source importante de GES. Molécule pour molécule, le CH4 est 21 fois plus efficace que le CO2. Le principal mode d'élimination du CH4 de l'atmosphère est sa réaction avec le radical hydroxyl (OH). Du fait que de nombreux hydrocarbures et halo carbures (y compris beaucoup de substances destructrices d'ozone) sont aussi éliminés de l'atmosphère à la suite de réactions avec OH, une concentration plus élevée de CH4 peut avoir des effets importants sur la capacité de l'atmosphère d'éliminer les gaz à effet de serre. Il semblerait que le CH4 et d'autres polluants soient responsables de la diminution de la concentration de OH. Environ 30 pour cent de l'accroissement de la concentration du CH4 dans l'atmosphère est due à la capacité réduite de l'atmosphère de l'absorber.
Les halo carbures : C'est une classe de composés chimiques, qui contiennent du carbone et un ou plusieurs atomes appartenant à famille des halogènes, comme le fluor et le chlore. Les plus importants de ces halo carbones, pour ce qui est de leur participation au réchauffement de la planète, sont les chlorofluorocarbones (CFC aussi connus sous leur nom de marque de Fréon) ; en particulier, CFC-11 et CFC-12. Bien qu'ils existent seulement à l'état de trace dans l'atmosphère, ces composés chimiques possèdent une puissante capacité à retenir la chaleur en plus de leur propriété bien connue de réduction de la couche d'ozone. Les halo carbures comptent pour environ 10 pour cent dans le réchauffement actuel. Une molécule de CFC-11 est 12.000 fois plus active dans l'effet de serre qu'une molécule de gaz carbonique.
Le protoxyde d'azote (N2O) : comme le CO2, le N2O est présent naturellement dans l'atmosphère.
Les potentiels d'effet de serre instantanés de ces gaz
On calcule avec une précision satisfaisante combien une masse donnée d'un GES donné contribue à l'effet de serre, c'est-à-dire la quantité d'énergie (en watts par m2) qu'elle transmet au sol. Vers 1990 les contributions respectives de ces gaz à l'effet de serre total étaient approximativement :
Gaz carbonique 48 % Méthane 17 % CFC 18 % Protoxyde d'azote 6 % Ozone et autres 11 %
Sommaire - Les causes de l'amplification - Les conséquences multiples et complexes
