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L'effet de serre

Le déréglement du thermostat planétaire (I)

Heureux sommes-nous qui vivons depuis quelque 4 milliards d'années dans un abri thermodynamique, l'atmosphère, qui nous permet de bénéficier de l’effet de serre. En effet, la température moyenne sur Terre est d’environ 15°C, ce qui représente 390 W/m2. Si nous ne bénéficiions pas de l’effet de serre qui piège la chaleur dans l'atmosphère, cette température serait de... -18 à -20°C (240 W/m2) ! Ce thermostat planétaire est cependant en train de se dérégler suite à l’influence des gaz liés aux activités humaines.

A voir : What's Really Warming tthe World?, Bloomberg

Que représente réellement le réchauffement mondial ?

Progression des anomalies de température depuis 1850. Il n'y a pas de doute, l'atmosphère s'est réchauffée de plus de 0.5°C. Entre 1981 et 2009 les mesures effectuées dans le cadre du projet MODIS/MISR d'étude de la végétation ont montré que les régions situées à plus de 40° de latitude étaient plus vertes que par le passé, peut-être en raison du réchauffement de la planète. Document ORNL/CDIAC.

Rappelons quels sont les éléments clés du changement climatique sur base des données du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC).

Les gaz à effet de serre

L’effet de serre est un phénomène naturel consistant en l’absorption par un certain nombre de gaz d’une partie du rayonnement infrarouge de la Terre, retenant ainsi de la chaleur. Ce phénomène est accentué par le relâchement plus important dans l’atmosphère de gaz d'origine anthropique, c'est-à-dire dû aux activités humaines. Ce surplus provoque un réchauffement accéléré du climat.

Ces gaz sont très nombreux, surtout ceux d'origine anthropique. Voici les principaux d'entre eux (entre parenthèse leur concentration et leur source) :

- La valeur d'eau, H2O (0.3 %, réservoirs naturels y compris l'atmosphère)

- Le dioxyde de carbone, CO2 (0.03 %, combustion des énergies fossiles, déforestation, décomposition de la biomasse)

- Le méthane, CH4 (0.00017 %, agriculture, fermentations anaérobies, fuites de gaz naturel, grisou, termites...)

- Le protoxyde d'azote, N2O (0.00003 %, certaines combustions, engrais azotés).

- L'ozone, O3, tant celui de la stratosphère (qui nous protège des ultraviolets B) que le polluant de basse altitude

- Les chloro-fluoro-carbones, CFC (0.00000008 %, circuits de réfrigération, expansion des mousses, bombes aérosols...)

Il faut y ajouter le monoxyde de carbone (CO), les hexafluocarbures (HFC), les perfluorocarbures (PFC) et l'hexafluorure de soufre (SF6).

Le dioxyde de carbone (CO2) est le principal gaz à effet de serre d’origine anthropique (76 % des émissions). Les autres sont représentés à raison de 16 % pour le méthane, 6 % pour le protoxyde d’azote et 2 % pour les gaz fluorés (2 %). Chaque gaz a une capacité différente à retenir de la chaleur.

Emissions des gaz à effet de serre

Les émissions annuelles de gaz à effet de serre sont plus élevées que jamais. En 2010, elles atteignirent 49 gigatonnes d’équivalent CO2. La hausse des émissions s’accélère : +2.2 % par an de 2000 à 2010, contre +1.3 % par an entre 1970 et 2000. Les énergies fossiles et l’industrie ont représenté 78 % des émissions entre 1970 et 2010.

Les secteurs les plus émetteurs de gaz à effet de serre sont :

- la production d’énergie (35 %)

- l’agriculture et la forêt (24 %)

- l’industrie (21 %)

- les transports (14 %)

- le bâtiment (6 %).

Les principaux pays émetteurs sont :

- la Chine (environ 24 %)

- les États-Unis, (15.5 %)

- l’Union européenne (11 %)

- l’Inde (6,5 %)

- la Russie (5 %).

Hausse des températures

La moyenne globale à la surface de la planète a augmenté de 0.85°C entre 1880 et 2012. Selon l’Institut météorologique britannique, en 2015 la hausse des températures mondiales fut de +1° par rapport à l’ère pré-industrielle. Cette hausse n’est pas homogène et est plus importante sur les continents et au niveau des pôles.

Les trois dernières décennies ont été successivement les plus chaudes depuis 1850. La température à la surface des océans s’est élevée de 0.11°C par décennie entre 1971 et 2010.

Concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère

Le Protocole de Kyoto (adopté en 2001 et signé en 2005) ne retient que 6 gaz à effet de serre : le dioxyde de carbone, le méthane, l'oxyde d'azote, les hexafluorocarbures, les perfluorocarbures et l'hexafluorure de soufre.

Leur capacité de réchauffement et leur durée de résidence dans l'atmosphère sont très inégales. Leur concentration suit une évolution exponentielle et présente un effet retard qui peut dépasser un siècle; c'est-à dire que certains gaz émis aujourd'hui ne produiront un effet que d'ici 100 ans voire plus tard encore. Pire, si nous stoppions immédiatement les émissions de CO2, les répercussions sur le climat se feraient encore sentir pendant 50000 ans !

A voir : Ce que représente concrètement une hausse moyenne de température de 4 degrés

Une simulation de Climat Central.org

Images interactives

Gaz à effet de serre

Pouvoir de réchauffement

(W/m2)

Durée de vie

(années)

Pouvoir de réchauffement 

(CO2 = 1)

Dioxyde de carbone

Méthane

Oxyde d'azote

Hexafluorocarbures

Perfluorocarbures

Fréon-11 (CFC)

Fréon-12 (CFC)

50

1.8

1.3

100
1.3

0.12

0.22

100 - 120

12

114

260

2600 - 50000

3200

-

1

23

296

12 - 12000
8900 - 18000

22200

-

Les concentrations actuelles de gaz à effet de serre dans l’atmosphère sont les plus élevées depuis 800000 ans. La concentration moyenne de gaz à effet de serre était de 430 ppm CO2eq (équivalent CO2 en parties par million) en 2011.

Pour avoir la meilleure chance (entre 66 et 100 %) de limiter la hausse de la température globale à 2°C, cette concentration ne doit pas dépasser environ 450 ppm de CO2eq en 2100 et c'est dans ce but que les nations ont approuvé l'Accord de Paris le 12 décembre 2015 au cours de la COP21.

Caractéristiques des gaz à effet de serre

1. La vapeur d'eau

Le premier gaz à effet de serre est la vapeur d'eau qui contribue jusqu'à 70 % de l'effet de serre total. En effet, les microgouttelettes d'eau renvoient durant la nuit le rayonnement thermique émis par la terre. La vapeur d'eau participe à l'effet de serre car sa quantité augmente en même temps que celle du gaz carbonique.

Bien que les activités humaines n'augmentent pas directement la concentration de vapeur d'eau dans l'atmosphère, l'air chaud contient davantage de vapeur d'eau ce qui entretient et accélère le mécanisme. Cet effet indirect représente une rétroaction positive qui affecte l'évolution du climat

On estime que les nuages modifient également l'équilibre thermique de la Terre en réfléchissant la lumière du soleil (ce qui refroidit la Terre) et en retenant le rayonnement infrarouge (ce qui réchauffe la Terre). Ainsi dans les régions tropicales, la présence des nuages provoquerait un assèchement plutôt qu'une humidification des couches supérieures de la troposphère. Les données actuelles indiquent qu'à l'échelle globale, une atmosphère plus chaude humidifie l'air et augmente le réchauffement climatique du fait de l'effet de serre.

Contribution des différents gaz à l'effet de serre en 2000. Le pourcentage de gaz carbonique augmente sensiblement chaque année. Document Spektrum der Wissenschaft adapté par l'auteur.

2. Le dioxyde de carbone

Le dioxyde de carbone (CO2) est le deuxième gaz à effet de serre par son importance mais le premier d'origine anthropique. Il représente jusqu'à 60 % de l'effet de serre d'origine artificielle. Si nous analysons les cinq cents ans dernières années, du XIVeme au XIXeme siècle, on constate que le taux de gaz carbonique contenu dans l'atmosphère n'eut aucune influence sur l'effet de serre. Mais il faut préciser que la pollution atmosphérique n'existe pas encore. Les traces relevées dans les glaces polaires nous le prouvent[1]. Mois après mois, année après année l'air fut piégé dans les cristaux de neige et nous pouvons aujourd'hui analyser ses constituants. L'air que l'on respirait à l'époque médiévale s'est accumulé dans les glaces de façon constante. Le taux global de gaz carbonique contenu dans ces glaces équivaut à celui qu'on a dégagé... durant le XXeme siècle !

Les concentrations de gaz à effet de serre ont été stables au cours des 10000 dernières années. Ainsi, la concentration du gaz carbonique fut pratiquement constante jusqu'en 1750 où sa concentration dans l'atmosphère était de 0.028 % soit 280 ppm (parties par million en volume). Elle est passée à 315 ppm en 1958, 345 ppm en 1984, 367 ppm en 1999 à 408 ppm en 2016 soit une augmentation de 23 % par rapport à 1958 comme on le voit ci-dessous à droite.

A gauche, mesure globale de la concentration du gaz carbonique (la pollution) dans la basse atmosphère le 30 avril 2000 par le satellite Terra. En brun, les pics de 390 ppm, en rouge 220 ppm et en bleu 50 ppm. Notezla forte concentration de gaz carbonique dans l'hémisphère nord et au-dessus des feux de forêts. A droite, évolution de la concentration du gaz carbonique depuis 1959. Si rien ne change, le scénario de Biosphere 2 sera une réalité dans quelques décennies. Documents TERRA/NASA et Scripps Institute of Oceanography.

L'Europe occidentale subit quotidiennement des pics qui oscillent entre 350 et 450 ppm, principalement en Angleterre et en France, auxquels il faut ajouter les rejets de la Chine, de l'Inde, du Japon, de la Corée du Sud, de l'Australie et des Etats-Unis (rappelons que ces derniers pays ont signé un "Partenariat Asie-Pacifique" fin 2006 dans le but de lutter contre l'émission des gaz à effet de serre).

Paradoxalement, le seul point positif à cette augmentation du gaz carbonique est une augmentation du couvert végétal. En effet, une étude publiée en 2016 par Zaichun Zhu et son équipe dans le journal "Nature Climate Change" révèle qu'entre 1982 et 2009 l'indice LAI (Leaf Area Index ou indice d'étendue du feuillage) a passé de 25 % à 50 % dont 70 % s'expliquent par l'effet fertilisant du CO2, suivi par les dépôts d'azote (9 %), le changement climatique (8 %) et les changements de la couverture des sols (4 %). En résumé, l'augmentation de la concentration du gaz carbonique rend notre planète plus verte mais fait fondre les calottes polaires et les glaciers.

Si l'océan est un régulateur de la concentration du gaz carbonique en raison de sa capacité à le dissoudre, une concentration trop élevée de ce gaz produit un déséquilibre de ce mécanisme qui ne pourra pas dissoudre ce gaz au rythme auquel on le produit. En 2010, le pH moyen ou taux d'acididité de l'eau de mer variait entre 7.90 et 8.20 (atteignant 8.6 dans les eaux de surface et les floraisons littorales de plancton et même 9.5 dans les flaques), le milieu est donc légèrement basique, phénomène lié à la présente de sel. Toutefois dans son rapport 2010, la Convention sur la Diversité Biologique (CBD) précise que depuis le début de l'ère industrielle (plus précisément entre 1751 et 2004) environ 500 milliards de tonnes de gaz carbonique ont été dissous dans les océans, augmentant leur acidité de 30% soit une baisse du pH de 0.1, passant de 8.25 à 8.14. Dans certaines eaux côtières, la teneur en gaz carbonique est à la limite de la solubilité du carbonate de calcium (900-1000 ppm contre 384 ppm dans l'atmosphère en 2010).

A gauche, bulles de gaz carbonique émises par les cheminées hydrothermales froides du littoral de l’île d’Ischia en Italie par ~6 m de fond  A la source, le pH tombe à 6.7-7.6 pour remonter à une valeur de pH normale de 8.1-8.2 à plus de 70 m des cheminées. Au centre, évolution d'un écosystème coralien en fonction de l'augmentation du gaz carbonique et de la température. A. Communauté de pente de récif à Heron Island, B. Communautés mixtes d'algues et de coraux sur les récifs côtiers entourant St.Bees Island près de Mackay, C. Pente du récif coralier des Low Isles près de Port Douglas. A droite, le mécanisme par lequel le gaz carbonique acidifie les océans. Documents J.Hall-Spencer et E.Rauer (2009) et O.Hoegh-Guldberg et al. (2007).

Comme on le voit ci-dessus à droite, une hausse de la température de l'eau de mer de 2°C ou une concentration de 450-500 ppm de gaz carbonique réduit la prolifération des coraux et augmente la production d'algues. Au-delà de 3°C ou 500 ppm de gaz carbonique, les récits coraliens côtiers sont pratiquement morts, la faune et la flore marines ont déserté les lieux ou n'ont pas survécu non plus. Malheureusement, nous sommes en train d'assister à un tel bouleversement. En effet, si rien ne change les experts du GIEC prévoient que la température moyenne des océans augmentera d'au moins 2°C entre 2050-2100, des valeurs sensiblement supérieures à celles des 420000 dernières années !

Même problématique avec le phénomène de déforestation en Amazonie dont les incendies contribuent à augmenter la concentration de gaz carbonique dans l'atmosphère. A ce jour, la forêt pluvieuse d'Amazonie stocke 180 milliards de tonnes de gaz carbonique qui ne participe donc pas au réchauffement climatique. Mais si rien ne change, si la déforestation continue et si nous continuons à polluer l'atmosphère, en raison de l'effet de serre on estime que l'Amazonie disparaîtra vers 2100 et avec elle notre stock d'oxygène.

A l'image des forêts, un habitant d'un pays développé consomme 400 kg de CO2 chaque année. Mais les transports s'accaparent la part du lion. Ainsi, les poids lourds roulant au diesel émettent 4.5 fois plus de gaz carbonique dans l'air qu'une voiture conventionnelle. C'est pour cette raison et également pour la sécurité routière que la plupart des pays ont limité leur vitesse maximale sur autoroute. Mais ce ne sont pas les plus grands pollueurs. En effet, il faut rappeler que l'activité d'un aéroport comme Roissy (F) par exemple émet 30 % de plus de gaz carbonique que toute l'activité automobile sur le périphérique parisien ! 

En fait, en tête de liste des plus grands émetteurs de gaz carbonique nous devons citer les avions suivis par les bâteaux. Ces deux moyens de transport viennent loin devant les camions et les voitures particulières.

Concernant les cargos, l'Organisation Maritime Internationale (OMI) est bien au courant du problème mais étant donné la durée de vie d'un navire qui est d'environ 30 ans, les éventuelles nouvelles mesures anti-pollution ne tireront leurs effets que dans... 30 ans ! Entre-temps, les 80000 navires de plus de 120 m continuent à polluer la planète et rendent malades beaucoup d'habitants des régions portuaires. Le verdict est encore plus sévère pour le traffic aérien. On y reviendra dans l'article consacré à l'Après Kyoto et au principe "pollueur-payeur".

A lire : Emissions de CO2 des transports en Europe, Planetoscope

Un pays comme les Etats-Unis qui refuse de ratifier le Protocole de Kyoto, produisait 4.93 millions de tonnes de gaz carbonique en 1995, plaçant cet élément en 22eme place parmi les gaz produits par notre civilisation. Ce gaz carbonique est produit par la consommation des énergies fossiles (fuel, gaz naturel, charbon) dont les résidus de combustion sont libérés dans l'atmosphère. Rappelons que juste derrière les Etats-Unis, les plus grands pays producteurs de gaz carbonique sont la Russie, la Chine et le Brésil et loin derrière mais toujours trop polluants, l'Angleterre et la France. Non, si l'Europe fait un effort, elle ne montre pas encore le bon exemple.

En 2005, notre civilisation produisait plus de 22 milliards de tonnes de gaz carbonique rien que par la combustion. Chaque seconde nous déversions plus de 700 millions de tonnes de gaz carbonique dans l'atmosphère. En 2016, selon l'étude du Global Carbon Project, les émissions de CO2 atteignaient 40 milliards de tonnes. Chaque seconde, nous déversons 1.27 milliards de tonnes de gaz carbonique dans l'atmosphère, soit 81 % de plus que 11 ans plus tôt ! D'ici 2050 on prévoit un doublement de la concentration de gaz carbonique pour atteindre 571 ppm vers 2070. Biosphère 2 s'y est déjà préparé... Si les émissions de gaz carbonique se poursuivent au taux actuel, selon les modèles climatiques on estime qu'en 2100 l'atmosphère pourrait globalement contenir 0.1 % de gaz carbonique, soit 1000 ppm... Préparez vos masques !

A voir : What's Really Warming the World ?, animation de Bloomberg

Les causes du réchauffement du climat

Le bilan annuel du CO2 en 2010

En 2010, et depuis plusieurs décennies, le bilan total des rejets de gaz carbonique dans l'atmosphère était excédentaire par rapport aux absorptions, il y a danger. Aujourd'hui l'homme déverse plus de 1.2 milliards de tonnes de gaz carbonique par seconde dans l'atmosphère. Si nous ne changeons pas tout de suite notre manière de consommer l'énergie, en 2100 la quantité de gaz carbonique contenue dans l'atmosphère aura triplée (1000 ppm) et la température moyenne du globale pourrait augmenter de 5°C.

Devant ces chiffres alarmants, début 2007 la Commission européenne a donc décidé de réduire les émissions de gaz carbonique de 50 % d'ici 2050. Mais comment atteindre cet objectif ? Le premier moyen consiste à réduire le plafond des quotas d'émission de CO2 accordé à chaque pays, appliquant en force la règle du "pollueur-payeur". Mais nous comptons tous parmi ces pollueurs !

Concernant l'industrie aéronautique, selon l'IATA, les 50000 avions de ligne existants dont 15000 à 20000 en Europe contribuent à 2 % des émissions de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, ainsi qu'à l'ozone atmosphérique, au méthane, etc. Face à cette pollution croissance, l'Europe a exigé des avioneurs de réduire la consommation des avions de 50 % d'ici 2020. Les Etats-Unis suivent la même voie mais de manière plus timide.

Dans le cas de l'industrie automobile qui nous touche de près, une voiture familiale et d'autant plus une grosse cylindrée émet généralement entre 120 et 200 g de CO2 par km. Quant aux 4x4, SUV et autres tout-terrain à la mode, certains modèles dépassent encore les 300 g de CO2 par km (Audi Q7 V6, etc). Si cela ne vous dit rien, sachez que si vous faites l'aller-retour Paris-Bruxelles en SUV, vous allez libérer au moins 150 kg de gaz carbonique dans l'atmosphère et 80 kg environ avec une voiture de classe moyenne. Multiplié par des centaines de millions de voitures, nous nous asphyxions tous petit à petit et affectons durablement le climat. Cela ne peut plus durer.

Faites le calcul : Emission de CO2 de votre véhicule

Consommations et émissions des véhicules particuliers (PDF), ADEME, 2015

Chacun d'entre nous pouvant participer à la réduction de cette pollution, la Commission européenne et l’Association des Constructeurs Automobiles Européens (ACEA) ont conclu un accord visant à réduire les émissions de gaz carbonique des véhicules de 25 % en 2008 du niveau constaté en 1995 (soit 140 g/km contre 186 g/km) et prévoit une réduction de 35 % supplémentaire, soit 120 g/km en 2012.

Les propriétaires de voiture qui ne satisferont pas à ces critères seront plus taxés que les autres, c'est le principe "pollueur-payeur" et des éco-taxes. Si vous n'avez pas les moyens d'acheter une nouvelle voiture en 2008, il vous reste la solution d'installer un kit dépolluant sur votre voiture. Ils sont encore peu nombreux et chaque pays propose sa solution. Mais ne vous inquiétez pas, les médias reparleront certainement de cette question dans les années à venir car elle nous concerne tous. En attendant vous pouvez déjà demander à votre concessionnaire quelle solution il propose pour votre voiture.

Certains constructeurs ont déjà pris les devants. Ainsi, quelques dizaines de petites voitures émettent moins de 100 g de CO2 par km (dont 80 g/km pour la Smart ForFour diesel hybride) mais la plupart des berlines et voitures sports sont largement hors normes. Si l'écologie vous intéresse, pensez aussi à changer de voiture !

A lire : Consommations et émissions des véhicules particuliers, ADEME

Discount sur les "voitures vertes" (l'après-Kyoto)

Ceci dit, si vous souhaitez changer de voiture, envisagez dès à présent l'achat d'un véhicule hybride ou électrique, deux modèles qui gagnent chaque année des parts de marché en raison de la raréfaction du pétrole et de l'augmentation des taxes sur les véhicules polluants. 

Un véhicule hybride réduit votre consommation de carburant de 40 % voire de 75 % si vous ne parcourez que de petites distances. Aujourd'hui presque tous les constructeurs proposent au moins un véhicule hybride à leur catalogue.

Deuxième partie

Le méthane

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[1] T.Crowley et G.North, "Paleoclimatology", Oxford University Press, 1991 - D.Raynaud et al., Science, 259, 1993, p926.


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