L'effet de serre est un phénomène naturel provoquant une élévation de la température à la surface de la Terre. C'est aussi le cas pour des planètes comme Mars ou Vénus.
Si nous nous préoccupons aujourd'hui de l'effet de serre, c'est à cause de l'impact qu'ont les activités humaines sur la composition chimique de l'atmosphère. Cet impact ajoute au phénomène naturel un léger, mais durable et inquiétant, effet de serre additionnel.
Le phénomène physique
Le phénomène physique de base de l'effet de serre est lié à l'interaction entre le rayonnement du Soleil et les molécules qui composent l'atmosphère. L'atmosphère est relativement transparente au rayonnement solaire puisqu'elle en absorbe et réfléchit seulement 42 %. La partie transmise est réfléchie ou absorbée par la surface terrestre. C'est en fait environ la moitié de l'énergie solaire reçue au sommet de l'atmosphère qui est absorbée par les terres et les océans.
Dans une situation d'équilibre, ce gain d'énergie à la surface doit être compensé par une perte équivalente qui se fait sous forme de dégagement de chaleur – sensible et latente – et sous la forme d'un rayonnement thermique, dit aussi « infrarouge » à cause de son domaine de longueur d'onde.
Mais, par comparaison avec le rayonnement solaire, l'atmosphère est plus opaque à la transmission, vers son sommet, du rayonnement infrarouge. En effet, celui-ci est, pour une large part, absorbé par les nuages et par certains gaz composant l'atmosphère, puis réémis dans toutes les directions, en particulier vers la surface de la planète, contribuant ainsi à la réchauffer davantage.
Bilan énergétique moyen pour la période de mars 2000 à mars 2004 en Wm-2
(d'après Trenberth et al, 2009)
Les gaz à effet de serre (GES)
Les gaz dont il est question ici sont, principalement, la vapeur d'eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), le protoxyde d'azote (N2O) et l'ozone (O3). Ces gaz aux molécules complexes (au contraire du diazote et du dioxygène) ont la propriété d'absorber et d'émettre du rayonnement infrarouge lorsque ces molécules passent d'un niveau de vibration à un autre. Malgré leurs très faibles concentrations dans l'atmosphère, ils ont un effet radiatif très important et, pour cette raison, influencent le climat de la planète.
Extrait d'une animation Météo-France
Et les nuages ?
L'effet de serre des nuages est, quant à lui, en moyenne, plus que compensé par leur effet écran au rayonnement solaire, qu'ils réfléchissent et absorbent. Au final, les nuages refroidissent donc la surface de la planète.
Au total, si le phénomène d'absorption et de réémission du rayonnement infrarouge par l'atmosphère ne se produisait pas, et sans autre modification – en particulier, de l'extension des régions couvertes de neige ou de glace, de la couverture nuageuse, etc. –, la température moyenne de la surface de la planète serait d'environ -19 °C au lieu d'à peu près +15 °C actuellement.
Un effet additionnel aux causes multiples
L'effet de serre additionnel résulte de l'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre déjà cités, ou de la présence d'autres gaz qui n'existent pas à l'état naturel dans l'atmosphère, comme les chlorofluorocarbones (CFC).
La concentration du CO2 augmente principalement à cause de l'utilistion des combustibles fossiles (charbon, pétrole) et de la modification de l'occupation des sols (déforestation). Les études actuelles montrent qu'environ la moitié du CO2 émis par les activités humaines reste dans l'atmosphère, l'autre moitié étant absorbée par les océans et les terres.
Parmi les principales sources des autres gaz, on peut noter les ruminants et les rizières (CH4), les engrais azotés (N2O), certains polluants industriels ou dus aux transports (O3), certains gaz propulseurs ou utilisés pour la réfrigération (CFC).
Source : Giec 2007
Les sources directes de vapeur d'eau liées aux activités humaines (évaporation des surfaces irriguées, rejets de centrales…) sont considérées comme négligeables à l'échelle planétaire par comparaison aux sources indirectes qui proviennent de l'augmentation d'évaporation induite par le réchauffement en surface. L'évolution de la vapeur d'eau est donc traitée, au même titre que celle des nuages ou de la couverture de glace, comme une rétroaction du système climatique et non comme un forçage directement lié aux activités humaines. Cet effet indirect de la vapeur d'eau correspond approximativement à un doublement de l'effet de serre direct produit par l'augmentation de la concentration des autres gaz à effet de serre.
L'effet indirect des nuages est très difficile à évaluer et constitue l'une des principales sources d'incertitude sur les projections des changements climatiques.
D'après Serge Planton