« L’effet de serre »

L’ESSENTIEL

Le rayonnement solaire (qui a des longueurs d’onde comprises entre 200 et 300 nm), traverse l’atmosphère, transparent dans le domaine visible.

Une partie (environ 28,3 %) est directement renvoyée vers l’espace par l’air, les nuages blancs et la surface claire de la Terre (comme l’Arctique et l’Antarctique), c’est l’albédo.

L’albédo est compris entre 0 pour un corps qui absorberait la totalité des ondes électromagnétiques et 1 pour une surface qui les réfléchirait toutes.

L’albédo planétaire, mesuré au sommet de l’atmosphère, qui est de 0,3, connaît de grandes variations en fonction des surfaces, depuis 0,05 à 0,15 pour la surface de la mer, une forêt de conifères ou un sol sombre jusqu’à 0,75 à 0,90 pour la neige fraiche.

Toute variation de l’albédo modifie la température : ainsi, la fonte de la banquise arctique diminue l’albédo, donc augmente les températures dans la région arctique.

Les rayons incidents qui n’ont pas été réfléchis vers l’espace sont absorbés par l’atmosphère (20,7%) et/ou la surface terrestre (51%). La partie du rayonnement absorbée par la Terre lui apporte de la chaleur (énergie), qu’elle restitue à son tour en direction de l’atmosphère sous forme de rayons infrarouges, c’est le rayonnement du corps noir.

Ce rayonnement infrarouge est absorbé en partie par les gaz à effet de serre contribuant alors au réchauffement des basses couches de l’atmosphère.

Puis dans un troisième temps, cette chaleur est réémise dans toutes les directions, notamment vers la Terre. C’est ce rayonnement qui est à l’origine d’un apport supplémentaire de chaleur à la surface terrestre.

Sans ce phénomène, la température moyenne sur Terre chuterait d’abord à – 18°C. Puis la glace s’étendant sur le globe, l’albédo terrestre augmenterait et la température se stabiliserait vraisemblablement à -100°C.

« L’effet de serre », en tant que tel, est un phénomène naturel. Ce n’est pas « l’effet de serre » qui pose problème mais les activités humaines qui le forcent.

Pour comprendre ce forçage, il faut revenir sur la notion d’équilibre radiatif de la Terre :

Un corps est dit en équilibre radiatif avec le rayonnement qu’il reçoit s’il ne perd ni ne gagne d’énergie. L’équilibre radiatif de la Terre implique donc que La puissance reçue par la surface terrestre soit égale à la puissance émise par celle-ci.

Ainsi, la puissance totale reçue par le sol (c’est-à-dire la puissance solaire absorbée par le sol, ajoutée à celle du rayonnement infrarouge absorbé par l’atmosphère par effet de serre et réémis vers le sol) est égale à la puissance terrestre émise sous forme de rayonnement infrarouge.

La température terrestre résulte de cet équilibre radiatif et elle est constante au cours du temps, tant que les caractéristiques de l’équilibre demeurent inchangées (les 15 degrés).

Le forçage radiatif désigne un phénomène de perturbation de l’équilibre d’un système climatique par des facteurs externes au climat proprement dit.

Cette perturbation concerne le différentiel entre les énergies radiatives (rayonnement) reçues et émises par ce système climatique. 

Si les échanges moyens d’énergie avec l’espace ne sont pas équilibrés, il y a un stockage ou un déstockage d’énergie par la Terre. Ce déséquilibre provoque alors un changement de température de l’atmosphère.

Actuellement, l’augmentation de la concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère, libérés par les activités humaines, augmente l’intensité du rayonnement infrarouge absorbé par l’atmosphère et réémis vers le sol, ce qui modifie l’équilibre radiatif.

La conséquence de la modification de cet équilibre radiatif est l’augmentation actuelle de la température terrestre.

Notons qu’une objection souvent entendue de la part de climatosceptique est que le « CO2 ne représente que 0.04% de l’atmosphère et qu’à ce titre, ils ne verraient pas comment une « si faible quantité de molécules » pourrait changer quoi que ce soit…

Si ce chiffre de 0.04% est tout à fait exact, nos sceptiques oublient un élément important, à savoir l’épaisseur de l’atmosphère ! Imaginez, sur une surface donnée, que vous avez un certain nombre de « billes », disons plusieurs centaines sur un hectare, et elles constituent déjà un « voile » captant les infrarouges. Vous allez rajouter deux ou trois « billes ». Rien ne changera si vous êtes sur une épaisseur de quelques millimètres. Mais imaginez maintenant que ces couches de billes s’élèvent sur plusieurs kilomètres, et qu’à chaque centimètre, vous rajoutez deux ou trois billes (et elle ne seront pas l’une au dessus des autres mais réparties aléatoirement). Vous obtiendrez un « assombrissement » du voile composé de ces milliers de billes. Il faut noter encore que la troposphère, la partie basse de notre atmosphère, dans laquelle se concentrent l’essentiel des GES, s’étend jusqu’à 8 ou 18 kilomètres selon la latitude et les saisons.

L’explication est encore simpliste, car en réalité, les molécules des gaz à effet de serre ne sont pas des « billes » inertes.

En fait, le blocage des infrarouges par des molécules de gaz à effet de serre est un phénomène physique complexe.

Si vous souhaitez vous pencher sur le problème, nous vous conseillons la lecture de la fiche réalisée par l’Encyclopédie de l’environnement . Pour le résumer rapidement : les molécules comme H₂O, CO₂ et CH₄, disposent de modes vibrationnels qui leur permettent d’absorber l’énergie.  Les molécules ne peuvent capter que certaines longueurs d’ondes (et les contributions respectives des diverses molécules sont très différentes, celle du méthane étant, par exemple, 21 fois plus grande que celle du CO2).

Certaines peuvent ainsi absorber le rayonnement infrarouge de la Terre dans des bandes de longueurs d’ondes bien définies, appelées fenêtres d’absorption (…). Au sein de l’atmosphère, les molécules qui ont capté une fraction du rayonnement infrarouge de la Terre l’échangent avec leurs voisines au cours de leurs collisions. Il en résulte un certain réchauffement de ce milieu gazeux, qui contribue ainsi à la distribution de température. Et l’atmosphère rayonne une part de cette énergie vers le sol et les océans (150 W/m²), ce qui constitue l’effet de serre. 

Aujourd’hui, les modélisations du climat et la comparaison des résultats de ces modèles aux observations réelles permettent d’affirmer que le réchauffement climatique est intégralement d’origine humaine (« anthropique ») et qu’il n’est pas dû à la variabilité naturelle du Climat (voir, à ce sujet, le colloque organisé par l’Académie des Sciences en janvier 2020 « L’urgence climatique: un tournant décisif  ?  » (partie 1 et partie 2). Nous vous recommandons de visionner l’intervention de Christophe Cassou (quarantième minutes de la partie 1).