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L'effet de serre

Causes et effets du réchauffement du climat. Maquette T.Lombry. Images D.R.

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 à effet de serre émis par les activités humaines (anthropiques) ou conséquence de ces activités.

Avis aux climatosceptiques et autres dénialistes

Précisons que si certains activistes et lobbies ainsi que certains chefs d'États notamment les Républicains américains dénigrent le travail des chercheurs du GIEC (IPCC) et refusent leurs conclusions, c'est avant tout parce qu'ils veulent protéger leur style de vie dispendieux ou leur économie florissante mais polluante. Ce sont des climatosceptiques voire des dénégateurs qui refusent de voir la vérité et d'admettre que le réchauffement actuel du climat est la conséquence des activités humaines. Dans leur esprit, c'est un changement naturel comme la Terre en connut des dizaines par le passé qui serait donc indépendant des activités humaines. Nous ne partageons évidemment pas leur point de vue pour la simple raison que les experts ont démontré depuis des années sinon des décennies que s'est bien l'homme qui est à l'origine du réchauffement actuel du climat dont les effets affectent déjà certaines populations et risquent d'affectuer durablement nos petits-enfants. Espérons que cet article sensibilise et puisse convaincre les éventuels lecteurs climatosceptiques. Étant donné les preuves présentées, ce ne sera pas difficile.

Nous allons décrire les éléments clés du changement climatique sur base des données du GIEC, le Groupe d’experts intergouvernemental qui étudie "les changements climatiques, leurs causes, leurs répercussions potentielles et les stratégies de parade" depuis 1988.

Rappel historique

Horace Bénédict de Saussure

En 1774, le physicien et géologue suisse Horace Bénédict de Saussure (1740-1799) découvre au cours d'une expérience que le fait d'exposer une boîte sombre munie d'une vitre face au Soleil augmente la température à l'intérieur de la boîte de plusieurs degrés comparée à la température extérieure prise à l'ombre. Il venait d'inventer l'héliothermomètre, l'ancêtre du capteur solaire. Il conclut que "quand les rayons du Soleil sont admis dans la boîte noircie, ils y changent de nature, puisqu'ils ne peuvent plus sortir librement au travers du verre; et confinés ainsi dans cet espace, il y naît unne chaleur, qu'ils n'opèrent pas au dehors." De Saussure venait de découvrir ce qu'on appelle aujourd'hui un gaz à "effet de serre" (ou GES).

C'est Joseph Fourier (1786-1830) qui proposa une théorie analytique de la chaleur qui reste encore aujourd'hui à la base de l'analyse spectrale (cf. la transformée de Fourier, etc).

Mais à défaut d'études et d'instruments, il faudra patienter près d'un siècle pour que les scientifiques découvrent le lien existant entre les gaz à effet de serre et le climat.

Eunice Newton Foote

Il faut rappeler car même les scientifiques ont tendance à l'oublier que c'est en 1856 qu'une scientifique amateure américaine, Eunice Newton Foote (1819-1888), découvrit l'effet du gaz carbonique sur la température de l'atmosphère.

A l'aide d'une pompe à air et de thermomètres au mercure, elle avait placé successivement de l'air humide, du gaz carbonique et de l'hydrogène dans deux cylindres de verre puis les exposa au Soleil.

L'article d'Eunice Newton Foote publié dans la revue "American Journal of Science and Arts" en 1856 à propos de l'effet du gaz carbonique sur la température de l'atmosphère.

Dans un article intitulé "Circumstances affecting the Heat of the Sun's Rays" (Circonstances affectant la chaleur des rayons du Soleil) publié en novembre 1856 dans la revue "American Journal of Science and Arts" (2d serie, XXII, Nov.1856, p382-383), la scientifique déclare qu'elle a découvert que l'air humide devient plus chaud que l'air sec et surrout que le CO2 piégeait le plus de chaleur, atteignant une température de 125°F (52°C) : "Le récepteur contenant ce gaz (le CO2) s'est lui-même beaucoup chauffé - très sensiblement plus que l'autre - et lorsqu'il a été retiré [du Soleil], il mit plus de temps à se refroidir2) s'est lui-même beaucoup chauffé - très sensiblement plus que l'autre - et lorsqu'il a été retiré [du Soleil], il mit plus de temps à se refroidir".

En regardant l'histoire de la Terre, Eunice Newton Foote proposa la théorie selon laquelle "Une atmosphère de ce gaz donnerait à notre terre une température élevée; et si, comme certains le supposent, à une période de son histoire, l'air s'y était mélangé en plus grande proportion qu'à l'heure actuelle, une augmentation de la température par sa propre action, ainsi que par une augmentation du poids, devait nécessairement en résulter".

Son article qui suit immédiatement celui de son mari Elisha Foote fut accepté pour la présentation de la huitième réunion annuelle de l'AAAS (American Association for the Advancement of Science) le 23 août 1856 à Albany, NY. Pour une raison inconnue, Eunice Newton Foote n'a pas lu son article (elle en avait le droit) qui fut présenté par John Henry de la Smithsonian Institution qui déclara au passage que "la science n'était d'aucun pays et d'aucun sexe. La sphère de la femme embrasse non seulement le beau et l'utile, mais le vrai".

L'article d'Eunice Newton Foote ne fut pas inclus dans la publication annuelle de l'AAAS qui reprend les réunions de l'association. En revanche, des résumés des travaux d'Eunice Newton Foote furent inclus dans plusieurs revues publiées en 1856 (American Journal of Science and Arts, Scientific American sous le titre "Scientific Ladies.--Experiments with Condensed Gases, Jahresbericht) et en 1857 (Anneal of Scientific Discovery, New York Daily Tribune, Canadian Journal of Industry, Science and Art, Edinburgh New Philosophical Journal à part que ce dernier nomma le mari de Foote, Elisha, comme auteur).

Mais à l'époque et malgré une formation scientifique et la reconnaissance par des chercheurs réputés, comme toutes les femmes, Eunice Newton Foote n'a jamais pu accéder à un poste de recherche et fut contrainte de poursuivre ses recherches en amateure. Ce n'est que 155 ans plus tard que ses recherches seront finalement reconnues et en 2020 que l'AAAS présenta publiquement ces travaux.

John Tyndall

Au cours de diverses expériences de laboratoire conduites entre 1859 et 1879, le physicien irlandais John Tyndall (1820-1893) découvrit que l'apport de gaz carbonique dans une enceinte augmentait sa température alors qu'un mélange d'air (azote et oxygène) n'avait aucun effet sur celle-ci.

Portrait de John Tyndall réalisé vers 1850 par photoglyptie (woodburytypie) par Lock et Whitfield. Document Smithsonian Libraries.

Tyndall découvrit également qu'à l'inverse de l'air dont le rôle est neutre en thermodynamique, la vapeur d'eau absorbe la chaleur. Il conclut que la vapeur d'eau et le gaz carbonique jouent un rôle important dans la régulation et les variations du climat. Il suggéra que de légères modifications de la composition de l'atmosphère pourraient entraîner des variations climatiques.

Tyndall s'est-il inspiré des travaux d'Eunice Newton Foote ? Ses notes et ses articles n'y font jamais référence (cf. SPIE). Tyndal cite seulement les travaux du physicien français Claude Pouillet sur le rayonnement solaire à travers l'atmosphère.

John Perlin de l'Université de Santa Barbara en Californie qui organisa une exposition sur Eunice Newton Foote en 2019 et prépare une biographie d'Eunice Newton Foote, pense que Tyndall lut son article. En effet, Tyndall était éditeur du "British Philosophical Magazine" qui republia de nombreux articles déjà parus dans la revue "American Journal of Science and Arts".

Mais d'autres chercheurs dont l'historien Roland Jackson ne sont pas de son avis car au XIXe siècle il y avait peu d'échanges des idées scientifiques entre l'Amérique et l'Europe, où se déroulait la majorité des découvertes. De plus, connaissant l'ambition de Tyndall, ses manques de crédits aux travaux de ses confrères (comme par exemple à Colladon), sa discrimination des femmes (il estimait que les femmes étaient inférieures aux hommes et manquaient d'originalité scientifique) et surtout que ses propres travaux étaient beaucoup plus approfondis que ceux d'Eunice Newton Foote, font penser qu'il ne prêta pas attention à cet article.

Le chercheurs Ralph Lorenz du JHUAPL évoque le travail d'Eunice Newton Foote dans son livre consacré à l'histoire de la climatologie planétaire moderne publié en 2019. Il note que l'absorption du rayonnement proche infrarouge (0.8-3 microns) qu'elle rapporte dans son étude est en fait l'inverse de l'effet de serre (un anti-effet de serre). En effet, il implique principalement l'absorption du rayonnement solaire plutôt que l'absorption et la réémission du rayonnement infrarouge terrestre aux longues d'ondes thermiques. Cette distinction n'était pas encore faite dans les années 1850.

Le bilan énergétique de la Terre explique l'effet de serre naturel mais il ne tient pas compte du facteur anthropique, humain, en particulier des effets de l'industrialisation qui fait entrer une variable artificielle dans le système.

Svante Arrhénius

Enfin, en 1896 le chercheur suédois Svante Arrhénius prédit que les changements de concentration du dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère pourraient sensiblement modifier la température de surface par effet de serre.

On sait donc depuis la fin du XIXe siècle que la vapeur d'eau et les émissions de dioxyde de carbone contribuent à l'effet de serre et aux variations climatiques. Reste à présent à identifier les sources d'émissions et les pièges ou les moyens de séquestrer ces gaz à effet de serre afin d'établir un bilan énergétique de la Terre ainsi que les cycles du carbone et de l'eau parmi d'autres réactions. Les machineries climatique et biologiques étant très complexes, il faudra près d'un siècle à des hordes de chercheurs pour y parvenir, équipés de capteurs, de sondes et en ayant recourt aux satellites de télédétection et à d'innombrables expériences et simulations.

Les gaz à effet de serre

L'effet de serre (greenhouse effect) 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. Le phénomène de réchauffement du climat est accentué par le relâchement important dans l'atmosphère de gaz d'origine anthropique, c'est-à-dire résultant des activités humaines. Comme une serre emprisonne la chaleur du Soleil, ce surplus de gaz à effet de serre provoque un réchauffement accéléré du climat, ce que ne démentirait pas John Tyndall.

Les gaz à effet de serre 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 (jusqu'à 0.41%, réservoirs naturels y compris l'atmosphère qui contient 95% de vapeur d'eau)

- Le dioxyde de carbone, CO2 (0.04%, combustion des énergies fossiles, déforestation, décomposition de la biomasse)

- Le méthane, CH4 (0.000179%, agriculture, fermentations anaérobies, fuites de gaz naturel, grisou, termites...)

- Le protoxyde d'azote, N2O (0.0000325%, certaines combustions, engrais azotés)

- L'ozone, O3 (0.000005%, tant celui de la stratosphèrequi nous protège des UVB 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).

A lire : Bulletin sur les gaz à effet de serre: une autre année, un autre record, WMO, 2021

Ozone-Depleting Substances (ODSs) and Related Chemicals (PDF), WMO, 2010

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.

Il existe également des substances à très courte vie ou VSLS (Very Short-lived Substances). Ce sont des gaz à effet de serre mais qui se dégradent entre quelques jours et quelques mois (au lieu de plusieurs décennies minimum pour les autres gaz à effet de serre). Parmi les VSLS citons le chloroforme (CHCl3, 150 jours) qui a atteint un seuil d'alerte en Asie en 2011, le dichlorométhane (CH2Cl2) ainsi que les dérivés du brome comme le dibromométhane (CH2Br2, 150 jours), l'iodure de méthyle ou iodométhane (CH2l, 3.5 jours) et le sulfate de diméthyle ou DMS ((CH3)2SO4), 1 jour).

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

Etant donné qu'il existe différents types d'énergie et qu'elles produisent divers gaz à effet de serre, il a été convenu d'utiliser une unité standard pour calculer le potentiel de réchauffement global ou PRG, il s'agit de l'équivalent gaz carbonique, en abrégé eq CO2 ou CO2e.

Les émissions annuelles de gaz à effet de serre sont plus élevées que jamais. En 2010, elles atteignirent 49 gigatonnes d'équivalent CO2 (Gt) dont 33 Gt rien que pour le 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 les suivants :

- la production d'énergie (35%)

- l'agriculture et la forêt (24%)

- l'industrie (21%)

- les transports (14%)

- le bâtiment (6%).

Selon Carbon Brief, en 2021 les principaux pays émetteurs de gaz à effet de serre sont les suivants :

- la Chine : 9.9 Gt (contre 9.8 Gt en 2019)

- les États-Unis : 4.5 Gt (contre 4.9 Gt en 2019)

- l'Union européenne : 3.0 Gt (contre 3.7 Gt en 2019)

- l'Inde : 2.3 Gt (contre 2.5 Gt en 2019)

- la Russie : 1.5 Gt (stable depuis 2018)

- le Japon : 1.0 Gt (contre 1.2 Gt en 2016).

On constate que les pays émettant le plus de CO2 sont logiquement les plus peuplés et les plus industrialisés mais surtout ceux qui dépendent du charbon. Ainsi 25% des émissions de CO2 de l'Union européenne proviennent d'Allemagne (0.78 Gt).

A lire : Pays les plus gros pollueurs du monde : classement 2022, Climate Consulting Selectra

Le décompte du cumul des émissions de CO2 depuis 1850 montre que les Etats-Unis sont de loin les plus grands pollueurs :

- Etats-Unis : 20.3%

- Chine : 11.4%

- Russie : 6.9 %

- Brésil : 4.5 %

- Indonésie : 4.1%

- Royaume-Uni : 3.0%

- Japon : 2.7%

- Canada : 2.6%.

Hausse des températures

Les émissions des gaz à effet de serre ont provoqué une augmentation de la température moyenne globale à la surface de la planète 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 préindustrielle. Cette hausse n'est pas homogène et est plus importante sur les continents et au niveau des pôles.

En 2021, au lendemain de la COP26, l'OMM publia sa synthèse sur le climat. Personne ne s'étonnera d'y lire que l'année 2021 fut la septième année la plus chaude jamais enregistrée avec 1.11 ±0.13°C de plus que durant la période 1850-1900 (contre moins de 1°C en 2018).

De nouveaux records furent enregistrés en 2021 parmi lesquels une température de l'air proche de 50°C dans l'ouest du Canada (entre 46.1 et 49.5°C fin juin 2021), soit équivalente à celle du désert du Sahara ou d'Arabie ! Cela entraîna le décès d'au moins 134 personnes à Vancouver.

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

Que représente réellement le réchauffement mondial ?

A lire : Climate Change 2014 Synthesis Report Summary for Policymakers (PDF de 3 MB), IPCC

Ci-dessus à gauche, évolution des anomalies de la température globale entre 1850 et 2016 représentée sous forme de spirale. Cliquer sur l'image pour lancer l'animation (GIF de 3.3 MB). A droite, les anomalies de la température globale ont battu un nouveau (triste) record en septembre 2016 avec une hausse moyenne de 0.9°C par rapport à la normale. Documents Eric Holthaus et NASA/GISS.

Ci-dessus à gauche, évolution des anomalies de la température à la surface des mers et des terres depuis 1850. A droite, l'évolution de la température moyenne du globe montre une hausse récente et continue de la température moyenne. Il n'y a pas de doute, depuis les années 1960 l'atmosphère s'est réchauffée de plus de 1°F soit plus de 0.556°C. Documents Crudata et NOAA via Climate Central adaptés par l'auteur.

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

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 !

Aussi ce n'est pas tant le fait que la concentration des gaz à effet de serre et notamment du gaz carbonique augmente dans l'atmosphère qui est préoccupante en soi mais le fait que la situation va s'accentuer et deviendra alarmante en 2200. C'est donc aujourd'hui qu'il faut changer notre mode de vie et nos technologies pour éviter que cette situation alarmante ne survienne d'ici un à deux siècles.

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

Une simulation de Climat Central.org

Images interactives

Caractéristiques des gaz à effet de serre (GES)

Gaz

à effet de serre

Pouvoir de réchauffement

(W/m2)

Temps de résidence

(années)

Pouvoir de réchauffement

(CO2 = 1)

Dioxyde de carbone

Méthane

Protoxyde d'azote

Hexafluorocarbures

Perfluorocarbures

Fréon-11 (CFC)

Fréon-12 (CFC)

50

1.8

1.3

100

1.3

0.12

0.22

20-150

10

150

260

2600 - 50000

3200

-

1

23

296

12 - 12000

8900 - 18000

22200

-

Les concentrations actuelles des gaz à effet de serre dans l’atmosphère sont les plus élevées depuis 800000 ans. Leur concentration moyenne était de 430 ppm CO2eq (équivalent CO2 en parties par million en volume[1]) 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 beaucoup de nations ont approuvé l'Accord de Paris le 12 décembre 2015 au cours de la COP21 qui entra en vigueur en 2016.

Chaleur et hausse du niveau des océans

En 2021, le taux d'élévation du niveau mondial moyen de la mer s'éleva de 4.4 mm par an (contre 2.7 mm en 2018 et 2.1 mm entre 1993 et 2002). Les experts prédisent que ce taux doublera d'ici dix ans, dépassant 8 mm par an vers 2030.

En 2018, la géophysicienne Sally Brown, spécialiste de la géomorphologie des côtes, aujourd'hui à l'Université de Bournemouth, avait déjà souligné que "l'augmentation du taux d'élévation du niveau de la mer est une préoccupation réelle pour ceux qui vivent dans les zones côtières de basse altitude, aussi bien pour les pays développés que pour les pays en développement". On reviendra sur le sujet à propos des "réfugiés de l'environnement" qui concernent aujourd'hui 35 millions de personnes (2018) et augmente chaque année.

En 2021, la NOAA constata qu'à une profondeur comprise entre 150 et 450 mètres, la température moyenne de l'océan était de 14.4°C (contre 13.8 °C en 2000).

Pourquoi les océans se réchauffent-ils ? En dehors des effets purement tectoniques et climatiques, il faut se rappeler que plus de 90% de l'énergie piégée par les gaz à effet de serre sont absorbés par les océans. En 2021, les océans ont absorbé 20 zettajoules soit 2x1022 joules de plus qu'en 2019 et jusqu'à 227 zettajoules de plus que la moyenne sur la période 1981-2010 ! A titre de comparaison, l'ensemble des activités humaines consomme une énergie d'environ 0.5 zettajoule en une année soit 13.5 Gtep par an mais nous en produisons le double qui viennent s'ajouter aux effets des GES (cf. le planetoscope).

Connaissant à présent l'état climatique de la planète, nous verrons dans le prochain chapitre les caractéristiques des principaux gaz à effet de serre et l'évolution de leur concentration.

Prochain chapitre

Caractéristiques des gaz à effet de serre

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[1] La quantité de gaz atmosphérique peut être exprimée en différentes unités. Les termes généralement utilisés sont la concentration (kg/m3), le rapport volumique (m3 de gaz par m3 d'air) et la fraction molaire (mol/mol). Pour les gaz à l'état de traces, ce rapport de mélange est généralement donné en unités de parties par million en volume (ppmv ou simplement ppm), de parties par milliard (billion) en volume (ppbv ou ppb) ou de parties par billion soit mille milliards (trillion) en volume (pptv ou ppt); 1 ppmv = 10-6 mol/mol, 1 ppbv = 10-9 mol/mol et 1 pptv = 10-12 mol/mol.


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