Effet de serre
L’effet de serre est un processus naturel résultant de l’influence de l'atmosphère sur les différents flux thermiques contribuant aux températures au sol d'une planète. La prise en compte de ce mécanisme est nécessaire pour expliquer les températures observées à la surface de la Terre et de Vénus. Dans le système solaire, l'essentiel de l'énergie thermique reçue par une planète provient du rayonnement solaire et, en l’absence d'atmosphère, une planète rayonne idéalement comme un corps noir, l'atmosphère d'une planète absorbe et réfléchit une partie de ces rayonnements modifiant ainsi l'équilibre thermique. Ainsi l'atmosphère isole la Terre du vide spatial comme une serre isole les plantes de l'air extérieur.

L'usage de l'expression effet de serre s'est étendu dans le cadre de la vulgarisation du réchauffement climatique causé par les gaz à effet de serre qui bloquent et réfléchissent une partie du rayonnement thermique. Or le bilan thermique d'une serre s'explique essentiellement par une analyse de la convection et non du rayonnement : la chaleur s'accumule à l'intérieur de la serre car les parois bloquent les échanges convectifs entre l'intérieur et l'extérieur. Aussi, le terme scientifique, utilisé par la communauté des climatologues pour décrire l’influence des gaz à effet de serre, composants de l'atmosphère bloquant le rayonnement infrarouge, sur le bilan thermique de la Terre, est forçage radiatif.

Les températures terrestres résultent d'interactions complexes entre les apports solaires perturbés par les cycles de l'orbite terrestre, de l'effet albédo de l'atmosphère, des courants de convection dans l'atmosphère et les océans, du cycle de l'eau et le forçage radiatif de l'atmosphère notamment.

Historique 
Dans les années 1780, Horace-Bénédict de Saussure mesure les effets thermiques du rayonnement solaire à l'aide de boîtes transparentes qu'il dispose dans la vallée et au sommet d'une montagne.

En 1824, Joseph Fourier publie Remarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires dans lesquelles il affine l'analyse des expériences de Horace-Bénédict de Saussure en concluant « la température du sol est augmentée par l'interposition de l'atmosphère, parce que la chaleur solaire trouve moins d'obstacles pour pénétrer l'air, étant à l'état de lumière, qu'elle n'en trouve pour repasser dans l'air lorsqu'elle est convertie en chaleur obscure ».

En 1857, Eunice Newton Foote publie Circumstances affecting the Heat of the Sun's Rays dans la revue The American Journal of Science and Arts. Elle décrit une expérience où elle mesure la température interne de cylindres de verre, exposés au Soleil et remplis de différents mélanges gazeux. Elle découvre que le dioxyde de carbone retient particulièrement bien la chaleur et conclut que « une atmosphère constituée de ce gaz donnerait à notre Terre une haute température ». Oubliée, sa contribution scientifique est redécouverte en 2011.

En 1861, John Tyndall identifie à son tour les principaux responsables de ce mécanisme : la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone. Il suggère alors qu'une modification de la composition de l'atmosphère peut avoir une influence sur l'évolution du climat.

En 1896, Svante August Arrhenius propose la première estimation de l'impact du niveau de dioxyde de carbone sur les températures terrestres. Il estime qu'un doublement de la quantité de dioxyde de carbone devrait augmenter de  la température moyenne. Il espère ainsi que l'exploitation du charbon permettra de surmonter la prochaine ère glaciaire due à l'orbite terrestre. Le géologue américain Thomas Chrowder Chamberlin arrivera indépendamment aux mêmes conclusions.

En 1909, Robert Williams Wood montre que contrairement à une idée reçue le blocage du rayonnement infrarouge par le verre n'est pas le principal mécanisme qui explique le fonctionnement d'une serre. Par conséquent le terme scientifique, adopté par le GIEC, utilisé pour décrire l’influence des composants de l'atmosphère bloquant le rayonnement infrarouge sur le bilan thermique de la Terre est forçage radiatif et non effet de serre.

L'expression synthétique effet de serre provient de la vulgarisation au début des  des résultats alarmants des recherches climatologiques. Alors que les climatologues analysent l'impact du dioxyde de carbone sur le climat sans parler d'effet de serre, les premières alertes pour infléchir les décisions politiques sont lancées au début des années 1980 en utilisant cette expression, reprise par la suite dans des rapports de plus en plus médiatisés, comme le rapport Brundtland (1987). En France, Jean-Marc Jancovici et Hervé Le Treut ont vulgarisé les risques liés à l'effet de serre depuis les années 1980.

Fonctionnement d'une serre 

Contrairement à une idée reçue, et comme le suggère ce nom, l'effet de serre, sous-entendu le mécanisme lié à l’absorption et à l'émission de radiations thermiques par le verre, n'est pas primordial dans le fonctionnement d'une serre. En 1909, Robert Williams Wood a réfuté par l'expérience cette explication. En remplaçant le verre qui recouvre une serre par du halite, un matériau totalement transparent aux infrarouges, Robert Wood mesure une augmentation similaire de température dans les deux cas. Aussi l'augmentation de température dans une serre ne s'explique pas par le fait que le verre réfléchit les infrarouges. L'expression « effet de serre » a néanmoins été conservée dans l'usage courant. Mais le terme scientifique, utilisé par la communauté scientifique pour décrire l’influence des composants de l'atmosphère bloquant le rayonnement infrarouge sur le bilan thermique de la Terre, est forçage radiatif.

Le fonctionnement d'une serre s'explique essentiellement par une analyse de la convection et non du rayonnement : la chaleur s'accumule à l'intérieur de la serre car les parois bloquent les échanges convectifs entre l'intérieur et l'extérieur.

Mécanisme sur Terre 

Lorsque le rayonnement solaire atteint l'atmosphère terrestre, une partie (environ 30 %) est directement réfléchie, c'est-à-dire renvoyée vers l'espace, par l'air, les nuages blancs et la surface claire de la Terre () ; l'albédo est la mesure de cet effet de miroir. Les rayons incidents qui n'ont pas été réfléchis vers l'espace sont absorbés par l'atmosphère (20,7 %) et la surface terrestre (51 %).

Cette dernière partie du rayonnement absorbée par la surface du sol lui apporte de la chaleur qu'elle restitue à son tour, le jour comme la nuit, en direction de l'atmosphère. Le transfert de chaleur entre la Terre et l'atmosphère se fait, conformément au deuxième principe de la thermodynamique, du chaud (la terre) vers le froid (l'atmosphère) ; il se fait par convection (réchauffement et humidification de l'air au contact du sol puis ascension de cet air et libération de la chaleur latente de la vapeur d'eau lorsqu'elle se condense en nuages) et sous forme de rayonnements infrarouges lointains (dans la plage  principalement, correspondant au « rayonnement du corps noir » pour la température du sol). L'effet de serre ne s'intéresse qu'à ces rayonnements, qui seront absorbés en partie par les gaz à effet de serre, ce qui contribue à réchauffer l'atmosphère.

Puis dans un troisième temps, cette chaleur contenue par l'atmosphère est réémise dans toutes les directions ; une partie s'échappe vers l'espace, mais une autre partie retourne vers la Terre et vient en déduction de l'apport de chaleur de la surface vers l'atmosphère, donc s'oppose au refroidissement de la surface. Il est à noter que l'excès de chaleur généré par les activités humaines, via l’effet de serre, est absorbé à 93 % par l'océan, qui atténue ainsi l'augmentation de la température dans l'atmosphère. L'océan global joue donc un rôle de thermostat planétaire et de contrôle des grands équilibres naturels planétaires.

Sans effet de serre (ce qui implique notamment : sans vapeur d'eau et sans nuages), et à albédo constant, la température moyenne sur Terre chuterait à . Mais à cette température la glace s'étendrait sur le globe, l'albédo terrestre augmenterait, et la température se stabiliserait vraisemblablement en dessous de  (voir glaciation Varanger).

Gaz à « effet de serre » 

Les gaz à effet de serre sont des composants gazeux de l'atmosphère qui contribuent à l'effet de serre (sans perdre de vue que l'atmosphère contient d'autres composants non gazeux qui contribuent à l'effet de serre, comme les gouttes d'eau des nuages sur Terre). Ces gaz ont pour caractéristique commune d'absorber une partie des infrarouges émis par la surface de la Terre.

Les principaux gaz à effet de serre sont la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone (), le méthane (), l'oxyde nitreux (ou protoxyde d'azote, de formule ) et l'ozone (). Les gaz à effet de serre industriels incluent les halocarbones lourds (fluorocarbones chlorés incluant les CFC, les molécules de HCFC-22 comme le fréon et le perfluorométhane) et l'hexafluorure de soufre ().

Contributions approximatives à l'effet de serre des principaux gaz, d'après le GIEC :
 vapeur d'eau : 60 %
 dioxyde de carbone : 26 %
 ozone : 8 %
 méthane et oxyde nitreux : 6 %

Effets des activités humaines 

La plupart des gaz à effet de serre (GES) sont d'origine naturelle. Mais certains d'entre eux sont uniquement dus à l'activité humaine ou bien leur concentration dans l'atmosphère augmente en raison de cette activité. C'est le cas en particulier de l'ozone (), du dioxyde de carbone () et du méthane (). La preuve que l'augmentation du  atmosphérique est d'origine humaine se fait par analyse isotopique. Par contre, ce dernier gaz rejeté dans l'atmosphère ne participe que pour 40 % à l'effet de serre additionnel provenant de l'activité humaine.

Répartition des gaz à effet de serre anthropiques (dus aux activités humaines) :

L'ozone est fourni en grande quantité par l'activité industrielle humaine, alors que les CFC encore largement utilisés détruisent, eux, l'ozone, ce qui fait que l'on peut constater un double phénomène :
 une accumulation d'ozone dans la troposphère au-dessus des régions industrielles ;
 une destruction de l'ozone dans la stratosphère au-dessus des pôles.

La combustion des carbones fossiles comme le charbon, le lignite, le pétrole ou le gaz naturel (méthane) rejette du  en grande quantité dans l'atmosphère : la concentration atmosphérique de gaz carbonique a ainsi augmenté de , passant de la valeur pré-industrielle de  aujourd'hui. Un des secteurs d'activités qui dégagent le plus de gaz à effet de serre est l'énergie : à ce sujet, voir l'article énergie et effet de serre. Ces combustibles augmentent, de plus, la concentration de gaz à effet de serre, car ils étaient enfouis dans le sol depuis des milliers d'années ce qui a rompu l'équilibre. Il s'agit d'un ajout additionnel de gaz carbonique dans l'atmosphère qui n'est pas non plus complètement compensé par une assez grande absorption : seule la moitié serait recyclée par la nature ; l'autre moitié resterait dans l'atmosphère et augmenterait l'effet de serre.

La seconde cause d'émission de gaz à effet de serre est la déforestation, qui est responsable à elle seule de 20 % des émissions mondiales. Les déboisements les plus importants concernent les trois grandes forêts tropicales que sont la forêt amazonienne, la forêt du bassin du Congo, et la forêt indonésienne. Il s'agit d'une des plus grandes causes, car tout le carbone absorbé par ces arbres est rediffusé dans l'air. S'il y avait replantation, cette quantité de dioxyde de carbone serait réabsorbée par un autre arbre, mais sans replantation, alors il n'y a qu'un ajout de la quantité de ce gaz dans l'air.

Les activités humaines dégagent donc une abondance de GES : les scientifiques du GIEC qui étudient le climat estiment que l'augmentation des teneurs en gaz d'origine anthropique est à l'origine d'un réchauffement climatique.

En France, selon le groupe , les émissions de gaz à effet de serre proviennent des transports pour 26 %, suivis de l’industrie (22 %), de l’agriculture (19 %), des bâtiments et habitations (19 %), de la production et de la transformation de l’énergie (13 %), et du traitement des déchets (3 %). Depuis 1990, les émissions ont augmenté de plus de 20 % pour les transports et les bâtiments. En revanche, elles ont diminué de 22 % dans l’industrie, de 10 % dans le secteur agricole, de 9 % dans le secteur de l’énergie et de 8 % pour le traitement des déchets.

Dans le cadre de la réduction des émissions de gaz à effet de serre engendré par la circulation automobile, une étude réalisée pour le PREDIT a montré l'influence des politiques de stationnement sur les possibilités de limiter la génération de gaz à effet de serre. La démarche concerne les émissions liées à la construction de places de stationnement, à l'exploitation des parkings et surtout à la mobilité induite par l'offre de stationnement.

Hypothèse de l'emballement de l'effet de serre 

On craint au pire le déclenchement d'un effet « boule de neige » (rétroaction positive), où le réchauffement conduirait à un réchauffement encore accru, via la disparition des glaces (réduction de l'albédo) et surtout la libération de stocks naturels de GES actuellement fixés par le pergélisol, les hydrates de méthane marins, ou encore la biomasse.

Si cela se produit et les réactions ne se terminent qu'après avoir produit une grande augmentation de la température, cela s'appelle un emballement de l'effet de serre ( en anglais).

Selon l'hypothèse du fusil à clathrates ( en anglais), un emballement de l'effet de serre pourrait être causé par la libération de méthane à partir des clathrates (hydrates de méthane qui tapissent le fond des océans) à la suite du réchauffement climatique. On suppose que l'extinction massive d'espèces lors du Permien-Trias a été causée par un tel emballement. Il est également estimé que de grandes quantités de méthane pourraient être libérées de la toundra sibérienne qui commence à dégeler, le méthane étant  plus puissant comme gaz à effet de serre que le dioxyde de carbone.

Une telle hypothèse reste toutefois hautement improbable : des études récentes ont en effet prouvé que l'hydrate de méthane du fond des océans était stable, et que celui contenu dans le pergélisol n'avait que peu de chance de s'en échapper.

Conséquences pour l'environnement 

L'effet de serre n'est pas en soi nocif aux écosystèmes ; sans lui, la Terre ne serait qu'une boule de glace où la vie ne serait pas possible, car il n'y aurait pas d'eau liquide. Le danger pour les écosystèmes réside plutôt dans la variation trop rapide et trop importante des conditions climatiques pour que la plupart des espèces dites évoluées puissent s'adapter aux changements de température et de pluviométrie. Des écosystèmes marins et littoraux pourraient également être touchés par une hausse du niveau de la mer, par la modification des courants marins et par les caractéristiques physico-chimiques de l'eau de mer (acidité, taux de gaz dissous…).

Les populations humaines seraient évidemment touchées par le réchauffement climatique, la hausse du niveau de la mer entrainant la disparition d'importantes métropoles et de vastes portions de pays. En outre, une hausse des températures aide à la prolifération des insectes propageant des maladies infectieuses, qui survivent mieux dans des milieux chauds et humides.

Le GIEC envisage, selon les scénarios, des augmentations de  à  pour le siècle à venir en supposant que l'augmentation des rejets de  continue au rythme des  années. Au lieu d'un ralentissement global des émissions depuis la signature du protocole de Kyoto, celles-ci continuaient à augmenter à un rythme croissant en 2018. Un arrêt total et immédiat des rejets de carbone n'empêcherait cependant pas la température moyenne de la planète de continuer à augmenter pendant plusieurs centaines d'années, car certains gaz à effet de serre ne disparaissent de l'atmosphère que très lentement.

Effet de serre sur les autres planètes

Effet de serre sur Vénus 
Sur Vénus l'effet de serre a porté la température à plus de . Une étude affirme que cet effet ne serait pas dû au dioxyde de carbone qui constitue 96 % de l'atmosphère, mais à des constituants en très faibles quantités relatives tels que  et . En effet, dans le domaine infrarouge correspondant au maximum d'émission thermique pour un corps à la température de la surface et de la basse atmosphère de Vénus, le  présente des fenêtres de transmission très larges qui ne peuvent piéger efficacement le rayonnement infrarouge. En revanche,  et  absorbent les radiations dans ce domaine de longueurs d'onde, tout comme le font également les fines particules d'acide sulfurique qui constituent les nuages. Vénus, plus proche (72,3 %) du Soleil que la Terre, reçoit ainsi près du double (191 %) de l'énergie solaire reçue par celle-ci.

D'autres études contredisent cependant ce point et mettent en avant le rôle essentiel du  dans l'effet de serre vénusien.

Effet de serre sur Mars 
L'atmosphère de Mars contient une grande proportion de , néanmoins l'atmosphère de la planète est trop fine pour avoir un impact significatif sur la température (estimé à moins de +5,5 °C).  constituant environ 96 % en volume (et quasiment autant en masse) de l'atmosphère martienne, sa pression partielle est approximativement égale à la pression totale atmosphérique de , tandis que cette pression partielle sur Terre est d'environ . Sur Terre, la fraction molaire de  dans l'air est seulement de 0,04 % en volume (0,06 % en masse).

Confusion entre effet de serre et trou dans la couche d'ozone 
L'effet de serre et le réchauffement climatique qu'il induit sont assez souvent confondus avec l'altération de la couche d'ozone. Il s'agit pourtant de deux phénomènes bien distincts, le premier concernant la rétention dans l'atmosphère des infrarouges (autrement dit de la chaleur) ; le second concernant l'augmentation de la transparence de l'atmosphère aux ultraviolets. Par ailleurs, si les principaux responsables de l'altération de la couche d'ozone, à savoir les CFC (chlorofluorocarbures, interdits dans les pays industriels dès 1989) sont aussi des gaz à effet de serre, l'inverse n'est pas vrai : les gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone et le méthane n'ont aucun effet sur la couche d'ozone.

Notes et références

Annexes

Bibliographie 
 Gérard Borvon, Histoire du carbone et du , Vuibert, 2013

Articles connexes

Liens externes 
Gouvernement de la France
  Mission interministérielle à l'effet de serre
  Observatoire national sur les effets du réchauffement climatique

Gouvernement du Canada
  Carte sur l'effet de serre  par Ressources naturelles Canada

Autres
  Initiative européenne d'eParticipation (WAVE) utilisant les technologies de l'information
   Blog de commentaire des résultats scientifiques récents animé par des scientifiques.
  Émissions européennes par rapport à l'objectif de Kyoto

 Histoire de la notion d'effet de serre
  Mémoire de Fourier sur la température du globe terrestre et des espaces planétaires, en ligne et commenté sur le site BibNum.
  Article de 1896 d'Arrhenius sur le  dans l'atmosphère, en ligne et commenté sur le site BibNum.
  « Depuis quand "sait-on" pour l'effet de serre ? » par Jean-Marc Jancovici, 2003
 Gérard BorvonUne brève histoire de l'effet de serre et du changement climatique.

Outils de visualisation 
  carbonmap, cartographie animée en anamorphoses, comparant les régions du monde en termes d'émission, de consommation, de production, de population, de risque liés au carbone fossile

Réchauffement climatique