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L'effet de serre caractérise le fait que l'atmosphère terrestre se comporte comme une serre, qui, comme chacun le sait, laisse bien passer le rayonnement solaire incident (essentiellement composé de rayonnement visible) et mal le rayonnement réémis par l'intérieur de la serre, qui comporte une large part d'infrarouges. Cette différence de transparence au rayonnement confine ainsi une partie des infrarouges à l'intérieur de la serre (ou de l'atmosphère) ; l'énergie du rayonnement retenu prisonnier conduisant finalement à une augmentation de température de l'intérieur (de la serre ou de l'atmosphère). L'effet de serre de l'atmosphère est dû pour l'essentiel à certains de ses composants minoritaires, naturels et présents de longue date, que sont la vapeur d'eau et en deuxième lieu le gaz carbonique . Sans effet de serre, la température moyenne de la surface terrestre serait de l'ordre d'une trentaine de degrés en dessous des températures actuelles (vers -15°C plutôt que vers +15 °C), rendant notre planète tout à fait inhospitalière pour les bipèdes que nous sommes. Le danger qui est désigné par le terme
"effet de serre" correspond donc à un abus de langage, et nous emploierons pour
la suite de cet article le terme de "réchauffement climatique", qui désigne
mieux non pas le phénomène lui-même, parfaitement naturel et essentiel à notre
existence, mais le déplacement du point d'équilibre, qui lui recèle des dangers
potentiels.
Notre planète reçoit, en moyenne, 342 W/m2 de rayonnement incident du soleil (Il s'agit d'une double moyenne, temporelle (sur l'année) et géographique (sur la surface de la planète), de l'énergie reçue par un m2 de surface au sommet de l'atmosphère).
Un petit tiers seulement est directement réémis vers l'espace dans le spectre du visible, par les diverses couches de l'atmosphère et la surface de la terre (qui se trouve être surtout.de l'eau !). Le reste, soit deux gros tiers, est absorbé par les divers composants de notre planète (sol, océans, atmosphère), transformé en chaleur, puis finalement réémis vers l'espace sous forme d'infrarouges.
Si la composition de l'atmosphère ne variait pas au cours du temps, notre planète émettrait chaque jour exactement l'énergie qu'elle reçoit, notre système atmosphérique étant alors à l'équilibre (l'équilibre entre énergie reçue et énergie émise est l'état stable de tout corps isolé dans l'espace). Par suite de la modification, notamment du fait de l'homme, de la composition de l'atmosphère, son opacité aux infrarouges (son effet de serre) augmente légèrement au cours du temps. Un peu plus d'infrarouges restent donc prisonniers de l'atmosphère chaque jour, contribuant à réchauffer globalement l'atmosphère et la planète. En effet, si l'opacité aux infrarouges de l'atmosphère augmente, le nouvel équilibre radiatif ne s'atteint que pour une température supérieure, puisqu'il faut rayonner plus d'infrarouges (donc être plus chaud) pour que la partie qui arrive à quitter l'atmosphère équilibre toujours le rayonnement incident qui, lui, est resté le même.
Oui. Les températures relevées précisément depuis 1860 (1860 est le début de la période d'instrumentation) font apparaître un réchauffement de la température moyenne de l'air au niveau du sol de 0,5 °C environ depuis le début du siècle, et les records de chaleur sont tous concentrés dans les années récentes (schéma ci-dessous).
L'hypothèse la plus largement admise pour expliquer ce réchauffement est de l'imputer aux émissions humaines, notamment au regard de ce que l'on sait des variations passées. La seule zone d'incertitude vient de ce que l'on ne sait pas apprécier avec précision la variabilité climatique naturelle sur des périodes - un siècle - très courtes à l'échelle géologique.
Les composants émis par l'homme qui modifient le comportement de l'atmosphère vis-à-vis du rayonnement sont :
Pour chacun des gaz à effet de serre on a la possibilité de calculer un "pouvoir de réchauffement global" ou PRG dont le principe est de donner l'impact radiatif qu'aura l'émission d'un volume donné de ce gaz dans l'atmosphère. Ce PRG tient logiquement compte de deux données : les raies d'absorption dans l'infrarouge du gaz considéré (qui donnent la "puissance" instantanée) et sa durée de vie dans l'atmosphère (qui donne la durée sur laquelle il faut intégrer la "puissance" pour obtenir un impact énergétique à terme). Ce PRG peut s'exprimer en valeur relative par rapport à celui du CO2 ; on obtient pour les principaux gaz à effet de serre les valeurs suivantes :
Source : GIEC Par ailleurs, on peut également estimer, en fonction de leur concentration atmosphérique du moment et de leur PRG, les forçages radiatifs respectifs en valeur absolue des différents gaz à effet de serre, que l'on exprime alors en Watts par mètre carré (ci-dessous).
L'augmentation des concentrations de gaz à effet de serre depuis le début de l'ère industrielle induit aujourd'hui un forçage additionnel de l'ordre de 1% du rayonnement reçu. C'est peu en instantané mais très significatif sur une longue période. Une partie du forçage positif des gaz est compensé par le forçage négatif des aérosols, dont on est sûr de l'effet qualitatif, mais que l'on ne sait pas encore appréhender quantitativement avec précision. Les scientifiques sont toutefois relativement confiants dans le fait qu'il n'est pas suffisant pour compenser le forçage positif résultant des émissions anthropiques , notamment parce que la durée de vie des aérosols est de quelques semaines seulement et que ces derniers ne s'accumulent pas dans l'atmosphère. Aux concentrations actuelles (lesquelles augmentent par ailleurs en permanence, cf. plus bas), les contributions respectives sont les suivantes :
La durée de brassage de l'atmosphère étant de quelques semaines seulement, les lieux d'émission de ces gaz importent peu, ce qui n'est pas le cas des aérosols qui influent plus particulièrement au-dessus des zones où ils sont émis.
Le graphique ci-dessous montre que les gaz à effet de serre suivent tous une courbe à peu près exponentielle depuis ce que l'on qualifie d'ère "pré-industrielle", laquelle s'est terminée en 1750 environ (un ppmv = une partie par million en volume, un ppbv = une partie par milliard en volume).
Aux incertitudes de mesure près, les concentrations de CO2 relevées avant 1750 sont constantes sur plus de dix mille ans, et n'ont jamais dépassé 280 ppmv depuis 400.000 ans. Les concentrations jamais atteintes de ces gaz, ainsi que le rythme inconnu jusqu'alors de l'augmentation de leur concentration permettent d'affirmer que c'est bien l'homme et en particulier ses activités "modernes" qui est la cause de l'augmentation des concentrations de ces gaz. Cela est de toute façon une évidence pour les gaz qui n'étaient pas présents naturellement dans l'atmosphère (composés halogénés du carbone) et dont les concentrations augmentent également de manière exponentielle.
Les outils dont nous disposons actuellement pour tenter de savoir ce qui peut se passer sont des modèles climatiques, qui schématiquement visent à reproduire sur informatique les lois qui gouvernent le climat pour voir comment évoluent les choses en introduisant des perturbations qui varient au cours du temps (notamment les teneurs en CO2). Environ 2.000 scientifiques travaillent directement sur ces modèles de par le monde, et ont abouti de manière indépendante à la réalisation d'une quinzaine de modèles différents dont il est intéressant de comparer les résultats. Les convergences qualitatives de ces modèles sont désormais suffisamment fortes pour que l'on puisse en admettre les principaux résultats :
L'indice de confiance est excellent en ce qui concerne la prévision d'un réchauffement global comme conséquence des émissions anthropiques, à tel point que la communauté scientifique concernée considère désormais que ce serait aux éventuels tenants de l'absence d'impact de l'homme sur le climat de démontrer leur point de vue. Parmi les éléments qui incitent à donner du crédit aux modèles, disons que si l'on fait partir les modèles non pas d'aujourd'hui (pour savoir ce qui va se passer plus tard) mais du début de la période d'instrumentation, pour comparer ce que dit le modèle avec ce qui s'est vraiment passé, on obtient un bon recouvrement du modèle avec la réalité en ce qui concerne les températures (figure ci-dessous).
D'autres recouvrements significatifs entre les résultats des modèles et les mesures sont observés en ce qui concernent la hausse plus prononcée des températures l'hiver que l'été, la nuit que le jour, et en altitude qu'au niveau du sol. Enfin certains modèles ont été testés sur Mars et Vénus où ils rendent bien compte de ce qui est observé ; Vénus a un système climatique plus simple que celui de la Terre (pas d'océan ni de glaces polaires) mais présente un phénomène particulier dans son atmosphère (la rotation de l'atmosphère est plus rapide que celle de la planète) dont le rendu par les modèles est assez fidèle. Les caractéristiques globales d'un changement climatique sont donc bien cernées sur le plan qualitatif, par contre les prévisions locales sont très difficiles à établir, et le degré de confiance des prévisions à cette échelle locale - hormis quelques indicateurs sur quelques grandes zones - est assez mauvais.
Hélas non. La durée de vie (temps nécessaire à la disparition de 50% du gaz) des principaux gaz à effet de serre dans l'atmosphère est très longue : 12 ans pour le méthane, de l'ordre de un siècle pour le CO2, 120 ans pour N2O, et certains dérivés halogénés du carbone (CF4, par exemple, utilisé pour la production d'aluminium) ont des durées de vie qui peuvent aller jusqu'à 50.000 ans. Arrêter les émissions demain matin permettrait seulement de stabiliser les concentrations à leur niveau actuel puis de les faire lentement décroître. Or ces gaz continuent de faire du forçage radiatif tant qu'ils sont présents ; quoi que nous fassions le réchauffement issu des gaz déjà présents dans l'atmosphère se poursuivra donc pour encore quelques siècles. Par contre le moment où l'on commence à diminuer nos émissions et le niveau de diminution ont un impact très fort sur les températures maximum atteintes et la pente de montée en température (cf. plus bas). À titre informatif, la durée de vie dans l'atmosphère de la vapeur d'eau, premier contributeur à l'effet de serre, est de quelques jours seulement, car le système se régule très vite pour ce composant : si il fait plus chaud, il y a plus d'évaporation, donc plus de nuages. Plus de nuages refroidissent l'atmosphère (par réflexion du rayonnement) et engendrent des précipitations qui contribuent aussi à une baisse des températures (en retirant la vapeur d'eau de l'atmosphère). De telles régulations rapides ne sont pas possibles avec les gaz à effet de serre dont aucun phénomène naturel ne permet l'élimination rapide.
En effectuant des forages dans les glaces polaires, il est possible de reconstituer de manière relativement précise l'évolution des températures sur les 400.000 dernières années (âge des couches les plus profondes). Plus précisément les températures peuvent être déterminées avec une très bon degré de précision sur les 100.000 dernières années, et avec une précision encore acceptable de -100.000 à -400.000 ans Sur cette période, le maximum de la moyenne annuelle de la température est de 1 à 2°C au dessus de la moyenne actuelle (16 à 17 °C au lieu de 15) ; c'était il y a 130.000 ans. Lors des dernières glaciations (de -20.000 ans à -100.000 ans), la température du globe était inférieure de 4 à 5°C à la moyenne actuelle. Une différence de quelques degrés de température moyenne n'est donc pas un changement mineur, loin s'en faut.
Sur les 10.000 dernières années, la température moyenne du globe n'a jamais progressé aussi rapidement que ce qui est prévu par les modèles. En outre, la vitesse d'augmentation en elle-même importe peu sans précision sur le niveau de départ. C'est le couple (température moyenne de départ, rythme de réchauffement) qui est inédit.
Les augmentations prévues varient entre 1,5 et 3,5 °C pour la température moyenne de l'air au niveau du sol à l'horizon d'un siècle selon les modèles et les scénarios retenus (schéma ci-dessous).
Toutefois nous avons vu que même en cas de suppression totale des émissions les concentrations - et donc les forçages radiatifs - ne décroîtraient que très lentement. Il en résulte que le maximum des températures n'est atteint que bien après que le maximum de concentration en gaz le soit, et les valeurs atteintes en 2100 pour les divers scénarios d'évolution ne représentent que 50 à 90% du maximum absolu à venir ultérieurement. La prolongation tendancielle des courbes données par les modèles donne des augmentations de température pouvant aller jusqu'à 7°C lorsque le maximum est atteint (dans l'hypothèse haute où nous émettrions des quantités sans cesse croissantes de gaz à effet de serre pendant le siècle à venir), après quelques siècles (et 3 m d'augmentation du niveau des océans). Deux cas de figure peuvent se présenter si cette hypothèse haute est celle qui se concrétise :
Il faut rappeler que nous n'avons aucune visibilité historique sur une élévation rapide de température de quelques degrés au-dessus des températures actuelles : le maximum observé durant les quelques centaines de milliers d'années écoulées (+1 à +2°C par rapport à la moyenne actuelle il y a 120.000 ans) a mis quelques milliers d'années à se produire et non un siècle.
Probablement pas, pas plus qu'elles non varié de manière homogène dans le passé. Par exemple, lors des dernières glaciations, la température moyenne de l'atmosphère terrestre était inférieure de 4 à 5 °C à la moyenne actuelle, mais la moyenne française était inférieure de 10°C à ce qu'elle est aujourd'hui, pendant que certaines zones tropicales avaient des températures moyennes à peu près identiques à ce qu'elles sont maintenant. Le modèle de l'Institut Pierre Simon Laplace par exemple, donne une idée de ce que pourraient représenter les écarts au moment ou la concentration de CO2 aura doublé (dans 60 à 80 ans en prolongation tendancielle).
On constate que ce modèle, pour un réchauffement moyen de 2° C environ, donne des évolutions par zones allant de -2 à +4 °C. Certaines zones se refroidiraient, reflétant probablement en cela la modification des courants marins. La fonte des glaces polaires - par suite du réchauffement global - entraînera un apport d'eau douce dans la mer qui diminuera la salinité des eaux de surface, lesquelles, moins denses, cesseront alors de plonger vers le fond de l'océan en faisant remonter les eaux profondes, plus chaudes. L'arrêt de l'apport de température des eaux profondes chaudes explique ainsi les refroidissements locaux, sans que l'on sache avec un bon degré de confiance à quels endroits précis ce phénomène se manifestera plus particulièrement. Ces mouvements convectifs verticaux (désignés sous le terme de circulation thermohaline) servant par ailleurs de "moteur" aux circulations océaniques profondes (comme le Gulf Stream), ces dernières pourraient être significativement modifiées, avec comme conséquence sur les zones bordant ces courants des fluctuations bien différentes des valeurs moyennes. Sans que les zones concernées soient identiques ou de même étendue, les autres modèles donnent tous des variations fortement hétérogènes selon les zones, et pouvant comporter des refroidissements locaux. Le terme de "réchauffement", globalement valable, ne se transpose donc pas de manière homothétique sur le plan local, loin s'en faut.
Probablement pas. Par exemple, les modèles convergent qualitativement sur le fait que les modifications de cycle hydrologique ou de moyennes de températures seront différentes selon que l'on se situera en été ou en hiver.
Les modèles ne permettent pas pour l'instant de répondre de manière irréfutable sur ce sujet. Il y a deux raisons à cela :
Mais quelques éléments peuvent quand même être retenus :
Conformément à ce qui précède, il est prématuré de dire que ces tempêtes sont une conséquence du réchauffement global (les phénomènes tempétueux ne datent pas d'hier). Toutefois, sans déroger à la nécessaire prudence, on peut quand même affirmer :
Sans que la liste soit limitative :
Il est vrai que les émissions anthropiques de carbone ne sont qu'une petite partie du cycle naturel de cet élément : 6 Gt par an environ dans un flux global de 160 Gt par an (schéma ci-dessous ; les chiffres sont en Gt de carbone) soit 4% environ des échanges naturels.
Et pourtant nos 6 "petites" Gt ne trouvent pas preneur parmi les "puits" qui absorbent le carbone : seuls 3 Gt sont rapidement recyclées, le reste contribuant à augmenter les concentrations atmosphériques. En ce qui concerne l'océan, sa capacité d'absorption augmente avec la pression partielle de CO2, mais le réchauffement climatique aura un effet antagoniste :
En ce qui concerne la biomasse non cultivée (forêt essentiellement), le problème est complexe, mais dans l'ensemble les forêts ne sont des puits de manière certaine que lorsqu'elles sont en croissance : en régime de croisière les forêts ne sont pas des puits puisqu'il en sort à peu près ce qu'il rentre (exception faite du bois d'oeuvre), et surtout la tendance actuelle est plutôt à la déforestation, laquelle équivaut de manière certaine à des émissions de CO2 supplémentaires (de l'ordre de 1 Gt de carbone). En ce qui concerne la biomasse cultivée ou élevée, cette dernière est une contributrice nette au réchauffement, car les plantes cultivées absorbent un peu de CO2 (lequel finit en outre par être restitué au milieu ambiant) mais les pratiques agricoles produisent du méthane (dont le forçage radiatif est 20 fois supérieur à celui du CO2), sous-produit de la digestion des ruminants et de la culture du riz, et du protoxyde d'azote (dont le forçage radiatif est 300 fois supérieur à celui du CO2), qui résulte de l'usage des engrais azotés.
Les carottages glaciaires font apparaître, sur de longues périodes, une étroite corrélation entre températures et concentration des gaz "naturels" à effet de serre (Gaz dont la concentration atmosphérique à l'ère pré-industrielle n'était pas nulle : CO2, CH4, N2O, cf. schéma ci-dessous).
Cela ne signifie pas en soi que les réchauffements du passé ont résulté d'un effet de serre (la variabilité naturelle découle essentiellement de paramètres astronomiques : distance de la terre au soleil, inclinaison de la terre sur son orbite, etc). Mais "cette augmentation parallèle de la concentration en gaz carbonique et de la température signifie l'existence d'un mécanisme qui rend illusoire l'existence d'un phénomène encore inconnu et susceptible de diminuer l'amplitude du réchauffement par effet de serre" (citation de Michel PETIT, directeur général adjoint de l'X en charge de la recherche).
Au moment où l'on pourra constater par la mesure physique que le phénomène sort du "bruit de fond" de manière indubitable (ce qui se caractérisera par une série longue située en dehors des valeurs habituelles, un climat se définissant par des moyennes sur une durée longue (30 ans), pas sur l'observation d'un seul événement ou même d'une série courte) nous serons alors très avancés - et de manière irréversible pour quelques siècles, à cause de la durée de vie du CO2 dans l'atmosphère - dans un phénomène comportant une inertie considérable. Ne rien faire maintenant en attendant de nouvelles avancées de la science est donc d'ores et déjà prendre le pari qu'aucune catastrophe ne surviendra.
Ces émissions (cf. schéma ci-dessous pour le CO2 seul) augmentent de plus en plus rapidement (non seulement la dérivée est positive mais la dérivée seconde aussi).
Au sein de cet ensemble, les émissions par
pays sont très variables ; nous en donnons quelques-unes (uniquement pour le CO2) ci-dessous. Les émissions par habitant sont également très variables, puisque même au sein des pays du G7 elles varient d'un facteur 3 entre les deux extrémités (schéma ci-dessous).
source : Ministère de l'Industrie - Observatoire de l'Energie
Les répartition par activité des émissions de gaz à effet de serre est très variable d'un pays à l'autre. Nous la donnons à titre indicatif pour la planète et pour le CO2 seul, qui est le gaz le plus étroitement mêlé à notre mode de vie (supprimer - ou fortement réduire - des émissions très spécifiques à un secteur est plus facile et a déjà été fait à de nombreuses reprises dans l'industrie ; les CFC sont un bon exemple).
Répartition par activité des émissions de CO2 seul dans le monde.
Les émissions nationales sont calculées en suivant la méthodologie mise au point par le GIEC, laquelle considère des volumes globaux consommés ou utilisés. Il n'est pas facile d'en déduire les émissions liées à des actes particuliers de la vie courante. J'ai cependant calculé ci-dessous quelques ordres de grandeur d'équivalent carbone, pour le seul CO2 (il s'agit bien d'ordres de grandeur ! Mais ils sont déjà éclairants si l'on rappelle que l'émission moyenne par Français est de 1,9 tonne d'équivalent carbone par an). Emissions de carbone correspondant au chauffage d'une maison :
Emissions de carbone correspondant à un déplacement de 15.000 km (la moyenne des distances annuelles parcourues par les automobiles en France est de 14.000 km) :
Marchandises :
Agriculture :
Produits :
x
Nous ne pouvons donc pas compter sur une raréfaction très rapide des ressources fossiles pour limiter nos émissions.
Il faut à la fois diminuer les émissions, et se préparer au réchauffement inéluctable découlant des gaz déjà présents dans l'atmosphère, qui à eux seuls assurent déjà 1,5 à 2 °C de réchauffement à terme. Le problème de la réduction des émissions ne peut se résoudre que de manière internationale, car :
C'est la raison pour laquelle il fait périodiquement l'objet de réunions internationales : Rio (1992), Berlin (1995), Genève (1996), Kyoto (1997), Buenos Aires (1998), Bonn (1999) et bientôt La Haye (2000). Pour la réduction des émissions, trois variables rentrent en ligne de compte :
Il n'y a hélas pas de réponse à cette question qui puisse se calculer scientifiquement. Tout ce que les scientifiques peuvent faire est de donner la valeur des concentrations de CO2 dans l'atmosphère en fonction de la courbe des émissions (graphiques ci-dessous).
Ces courbes se lisent de la manière suivante : pour une valeur de la concentration en CO2 qui se stabilise à un niveau donné (figure de droite) on a calculé des exemples de courbes d'émission qui y correspondent (figure de gauche). La correspondance entre figures se fait sur les références de courbe (S450, S550, etc). Le point origine représente les émissions de 1990. Le trait gras (IS92a) correspond au "scénario catastrophe" où les émissions ne baissent jamais. On constate que même avec une décroissance dès 2020 des émissions pour les ramener en 2100 à un gros tiers des émissions actuelles (S450), la concentration de CO2 dans l'atmosphère se stabilise "seulement" à 450 ppmv, soit 60% de plus qu'à l'ère pré-industrielle et de quoi nous assurer quand même 1,5 °C de plus en 2100 et éventuellement le double à terme. La seule chose que l'on puisse dire, lorsque l'on regarde ces courbes, est que la rapidité du démarrage des réductions a un impact très significatif sur le niveau de stabilisation à terme, et que donc le plus de réduction le plus tôt sera le mieux.
Les négociations internationales tournent autour de l'idée de stabiliser les gaz à effet de serre à deux fois leur concentration préindustrielle (soit 500 ppmv pour le CO2) ; la convention de Rio sur le climat signée en 1992 indiquait quant à elle que l'objectif était de "stabiliser les concentrations de gaz à effet de serre dans l'atmosphère à un niveau qui empêche toute perturbation anthropique dangereuse du système climatique". Sans vouloir polémiquer de manière abusive, on relèvera que :
Pour le moment, les émissions par tête sont environ 10 fois moindres dans les pays en voie de développement que dans les pays développés (environ 0,4 tonne de carbone par habitant et par an contre 3 dans les pays de l'OCDE). On serait donc tenté de dire que nous devons commencer. Mais une prolongation tendancielle de la situation actuelle donne la Chine comme plus gros émetteur de gaz à effet de serre dans quelques décennies, devant les USA. Certains pays occidentaux (dont les USA, responsables à eux seuls de 25% des émissions) sont donc tentés de dire que les réductions des pays occidentaux ne peuvent démarrer que lorsque les pays en voie de développement s'engageront dès maintenant à diminuer eux aussi leurs émissions dans un avenir qu'il importe de fixer (ce qui n'est pas le cas). Il est cependant évident que le monde "développé" devra donner l'exemple d'une réduction de grande ampleur de sa consommation énergétique, et le donner rapidement, compte tenu des délais de mise en oeuvre : les pays dits "en voie de développement" n'ont que notre modèle à suivre. Il est totalement illusoire de vouloir changer leur trajectoire sans changer le modèle. On pourrait résumer la chose comme suit : demande-t-on à son voisin de ne pas faire de bruit quand son propre chien aboie toute la nuit ?
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des gaz appelés
"gaz à effet de serre", principalement le gaz carbonique (CO2), le méthane (NH4), le
protoxyde d'azote (N2O), et les composés halogénés
du carbone, vaste famille de molécules d'hydrocarbures où l'hydrogène est totalement ou
partiellement substitué par des halogènes, avec une formule générique de type CxHyHalz
où Hal représente un ou plusieurs halogènes (Fluor, Chlore, Brome...). 
