Sciences · Terre et climat
L’effet de serre
L’effet de serre est le phénomène par lequel certains gaz de l’atmosphère absorbent la chaleur émise par la Terre et en renvoient une partie vers le sol. Sans lui, la Terre serait gelée, à −18 °C en moyenne.
Mis à jour le 6 min de lecture
L’effet de serre naturel rend la Terre habitable : il porte la température moyenne de surface à environ +15 °C, au lieu d’environ −18 °C sans lui, soit une différence de 33 °C. Le problème actuel n’est pas l’effet de serre lui-même, mais son renforcement par les gaz émis par les activités humaines, qui provoque le réchauffement climatique.
Comment fonctionne l’effet de serre ?
- Le Soleil chauffe la Terre. Son rayonnement, surtout de la lumière visible, traverse l'atmosphère en grande partie. Environ 30 % est directement renvoyé vers l’espace par les nuages, les glaces et les surfaces claires (c’est l'albédo terrestre) ; le reste est absorbé par le sol, les océans et l’air.
- La Terre réémet de la chaleur. Comme tout corps chaud, la surface émet un rayonnement, mais dans l'infrarouge, invisible, car elle est bien plus froide que le Soleil.
- Les gaz à effet de serre interceptent cette chaleur. Contrairement à l’azote et à l’oxygène, qui forment 99 % de l’air sec, la vapeur d’eau, le CO2 ou le méthane absorbent les infrarouges, puis les réémettent dans toutes les directions, dont une partie vers le sol.
- La surface se réchauffe jusqu’à ce que l’énergie renvoyée vers l’espace équilibre l’énergie reçue du Soleil.
Plus il y a de gaz à effet de serre, plus la chaleur s’échappe difficilement vers l’espace, depuis des couches de plus en plus hautes et froides de l’atmosphère, et plus la surface doit se réchauffer pour rétablir l’équilibre.
Les principaux gaz à effet de serre
| Gaz | Concentration préindustrielle | Concentration récente | Durée de vie dans l’atmosphère | PRG à 100 ans |
|---|---|---|---|---|
| Vapeur d’eau (H2O) | Variable | Variable | Environ 10 jours | Non applicable |
| Dioxyde de carbone (CO2) | environ 280 ppm | environ 424 ppm (2024) | De quelques siècles à des millénaires pour une partie | 1 (référence) |
| Méthane (CH4) | environ 0,72 ppm | plus de 1,9 ppm | environ 12 ans | environ 27 à 30 |
| Protoxyde d’azote (N2O) | environ 0,27 ppm | environ 0,34 ppm | environ 110 ans | environ 273 |
| Gaz fluorés (HFC, SF6…) | Absents | Faibles mais croissantes | De quelques années à des milliers d’années | Des centaines à plus de 20 000 |
| Ozone troposphérique (O3) | Plus faible | Variable | Quelques semaines | Non applicable |
ppm : parties par million, soit le nombre de molécules par million de molécules d’air. PRG : pouvoir de réchauffement global, valeurs du sixième rapport du GIEC.
Le pouvoir de réchauffement global (PRG)
Le PRG compare l’effet d’un kilogramme de gaz à celui d’un kilogramme de CO2 sur une période donnée, généralement 100 ans. Une tonne de méthane réchauffe environ 27 à 30 fois plus qu’une tonne de CO2 sur un siècle, et plus de 80 fois plus sur 20 ans, car il est puissant mais se dégrade assez vite. On exprime ainsi toutes les émissions en tonnes équivalent CO2 (t CO2e), unité utilisée dans les bilans carbone.
Le cas de la vapeur d’eau
La vapeur d’eau est le premier gaz à effet de serre naturel, responsable de la plus grande part de l’effet de serre. Mais sa concentration n’est pas pilotée directement par les émissions humaines : elle dépend de la température, l’excédent retombant en pluie en quelques jours (voir cycle de l’eau). Elle agit comme un amplificateur : quand le CO2 réchauffe l’air, celui-ci contient davantage de vapeur d’eau (environ 7 % de plus par degré), ce qui accentue le réchauffement. C’est une rétroaction positive.
L’effet de serre renforcé
Depuis le milieu du XVIIIe siècle, les concentrations de CO2 ont augmenté d’environ 50 %, celles de méthane ont plus que doublé. L’effet de serre additionnel se mesure par le forçage radiatif, l’excédent d’énergie retenu par le système climatique, exprimé en watts par mètre carré. Il entraîne aujourd’hui un déséquilibre énergétique : la Terre reçoit plus d’énergie qu’elle n’en renvoie, et environ 90 % de ce surplus est stocké dans les océans.
| Source principale des émissions humaines | Gaz concerné |
|---|---|
| Combustion du charbon, du pétrole et du gaz | CO2 |
| Déforestation et changements d’usage des sols | CO2 |
| Production de ciment | CO2 |
| Élevage de ruminants, rizières, décharges | CH4 |
| Extraction et transport de combustibles fossiles (fuites) | CH4 |
| Engrais azotés | N2O |
| Climatisation, réfrigération | Gaz fluorés |
Les rétroactions climatiques
Le réchauffement initial déclenche des mécanismes qui l’amplifient ou l’atténuent :
- vapeur d’eau : amplification, comme vu plus haut ;
- albédo de la glace : la fonte de la neige et de la banquise découvre des surfaces sombres (océan, sol) qui absorbent davantage de chaleur, ce qui accélère la fonte ;
- pergélisol : le dégel des sols gelés de l’Arctique libère du CO2 et du méthane ;
- nuages : leur effet est complexe, certains refroidissent, d’autres réchauffent ; c’est la principale source d’incertitude des projections ;
- puits de carbone : océans et végétation absorbent aujourd’hui environ la moitié du CO2 émis, mais leur efficacité relative diminue avec le réchauffement.
Histoire d’une découverte
| Date | Étape |
|---|---|
| 1824 | Joseph Fourier suggère que l’atmosphère retient la chaleur de la Terre. |
| 1856 | L’Américaine Eunice Foote montre qu’un récipient rempli de CO2 chauffe davantage au soleil. |
| 1859 | John Tyndall mesure l’absorption du rayonnement infrarouge par la vapeur d’eau et le CO2. |
| 1896 | Svante Arrhenius estime le réchauffement dû à un doublement du CO2. |
| 1938 | Guy Callendar relie l’augmentation mesurée du CO2 au réchauffement observé. |
| 1958 | Début des mesures de Charles Keeling à Mauna Loa : la « courbe de Keeling » montre une hausse continue du CO2. |
L’effet de serre sur les autres planètes
- Vénus : son atmosphère, à 96 % de CO2 et 90 fois plus dense que la nôtre, crée un effet de serre extrême : environ 465 °C en surface, plus que Mercure pourtant plus proche du Soleil.
- Mars : son atmosphère de CO2 est si ténue que l’effet de serre n’ajoute que quelques degrés.
Voir aussi le système solaire.
Questions fréquentes
L’effet de serre est-il mauvais ?
Non : l’effet de serre naturel est indispensable à la vie sur Terre. C’est son intensification par les émissions humaines, trop rapide pour les écosystèmes et les sociétés, qui pose problème.
Quel est le gaz à effet de serre le plus important ?
La vapeur d’eau contribue le plus à l’effet de serre naturel. Mais le CO2 est le principal responsable du réchauffement actuel, car ses concentrations augmentent sous l’effet des activités humaines et il reste longtemps dans l’atmosphère.
Quelle est la différence entre effet de serre et trou de la couche d’ozone ?
Ce sont deux phénomènes distincts. L’effet de serre concerne la chaleur infrarouge retenue près du sol. Le trou de la couche d’ozone, situé dans la stratosphère, laisse passer davantage d’ultraviolets dangereux ; il est dû aux CFC, interdits par le Protocole de Montréal de 1987.
Les gaz à effet de serre sont-ils toxiques ?
Aux concentrations atmosphériques, non : le CO2 est d’ailleurs indispensable à la photosynthèse. Leur effet est climatique, pas toxique. Le CO2 ne devient dangereux pour la santé qu’à des concentrations bien plus élevées, dans des espaces confinés.