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Effet de serre : Définition, Gaz, Causes et Conséquences

Gaz à effet de serre Image par LQD-Denver

Planète

Effet de serre : Définition, Gaz, Causes et Conséquences

Par la rédaction

Le 18/05/2020 et modifié le 05/03/2021

L'effet de serre est le coupable désigné du réchauffement climatique. Que sont les Gaz à Effet de Serre (GES) ? D'où viennent-ils ? Peut-on lutter ? Sommes-nous coupables à travers eux de provoquer le réchauffement climatique ?

L'effet de serre : définition

Par analogie avec la serre du jardinier, la Terre possède une forme de paroi transparente, notre atmosphère, dont l'isolation thermique est parfaite avec le vide de l'espace. 

Seules ressortent des radiations lumineuses : réflexion de la lumière solaire et émissions infrarouges liées à la température de surface. Les émissions infrarouges sont absorbées par certains gaz de l'atmosphère. Celui-ci se réchauffe en permanence.

L'action de ces gaz dits à effet de serre conduit à l'équilibre thermique qui permet la vie. 

Sans l'effet de serre, la température moyenne de l’air serait inférieure de 34° sur Terre, autant dire glaciale partout (aux alentours de -18° au lieu des 15° en moyenne). L'effet de serre est indispensable à la vie, mais son équilibre sensible. L’excès de GES le perturbe et conduit au réchauffement climatique.

 

Effet de Serre - Schéma Julie Blanc

 

En résumé : l'effet de serre, un phénomène utile, mais fragile !

Sur de nombreuses planètes comme la Terre ou Vénus, l'effet de serre est un phénomène naturel. Les gaz à effet de serre présents dans l'atmosphère absorbent et retiennent une partie de l'énergie solaire et du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre. L'effet de serre maintient une température propice à la vie sur la surface du globe, mais le phénomène peut également être à l'origine d'un réchauffement climatique lorsque les proportions des gaz sont excessives.  

Le réchauffement climatique est un phénomène qui résulte en grande partie d'une forte concentration de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Ces gaz présents de manière trop importante sont responsables de l'augmentation des températures, entraînant par conséquent la dégradation de l'environnement. Une petite proportion de ces gaz apparaît de manière naturelle, mais les activités humaines en génèrent la plus grande partie. 

 

Différents gaz présents dans l'atmosphère

Les gaz à effet de serre sont par définition des gaz qui ont la capacité d'absorber une partie des rayons infrarouges émis par la surface terrestre suite à la réflexion de l'énergie solaire. Ces rayons sont ensuite redistribués sous forme de chaleur dans la couche basse de l'atmosphère. Ce phénomène naturel est l'effet de serre, contribuant à la stabilité du climat et de la température de la planète.

Plus d'une quarantaine de composants gazeux à effet de serre existent dans l'atmosphère, dont la vapeur d'eau H2O et le dioxyde de carbone CO2. Le méthane CH4, le protoxyde d'azote N2O, l'ozone O3 et les gaz fluorés tels que les hydrocarbures sont également présents en grande quantité dans l'air.

 

Deux principaux GES naturels

La vapeur d'eau est le principal GES, contribuant à près des trois quarts de l'effet de serre global. Le cycle de l'eau est assez rapide, mais si la température moyenne augmente, la proportion moyenne de vapeur d'eau également, accélérant d'autant le réchauffement climatique. La durée de vie de la vapeur d’eau est d’environ une semaine.

Incontournable, le dioxyde de carbone, ou CO2, contribue à 17 % de l'effet de serre global mais pour 65 % à l'effet de serre additionnel « humain ». Produit par les organismes vivants, dont nous et notre bétail, il est partiellement réabsorbé en continu par les plantes terrestres et aquatiques, et se dissout pour partie dans les océans. 

Un équilibre s’établit, dégradé par un excès d'élevage et l'appauvrissement en végétaux. Plus grave encore, la combustion effrénée des réserves carbonées fossiles, sans puits de carbone en regard, rompt cet équilibre en affectant durablement le taux atmosphérique de CO2. 

Depuis l'époque préindustrielle, la concentration est passée de 280 à 412 ppm actuellement, presque 50 % d'augmentation. La durée de vie de 100 ans dans l'atmosphère pérennise malheureusement cette part anthropique.

 

D'autres GES naturels

Pour comparer les autres GES entre eux, on utilise leur pouvoir de réchauffement global, PRG, qui se mesure relativement à celui du CO2 ( référence 1). Le PRG intègre la notion de forçage radiatif ( Selon le GIEC le forçage radiatif est « l'équilibre entre le rayonnement solaire entrant et les émissions de rayonnements infrarouges sortant de l'atmosphère »), ou du pouvoir instantané d'absorption, et de durée de vie dans l'atmosphère qui en cumule l'effet dans le temps.

Si les gaz à effet de serre contribuent tous à l'augmentation des températures globales, ils n'ont pas le même impact. Le pouvoir de réchauffement global ou PRG représente la puissance radiative d'une quantité de gaz accumulée sur une durée de 100 ans. Le PRG permet donc de connaître la puissance et la durée de vie des gaz et varie selon le gaz à effet de serre.

Le pouvoir de réchauffement global se mesure en CO2. 1 kg de méthane (CH4) émis dans l'atmosphère produit par exemple le même effet de serre que 25 kg de CO2 sur un siècle, tandis que 1 kg de protoxyde d'azote a le PRG de 298 kg de gaz carbonique. 1 kg d'hexafluorure de soufre produit quant à lui 22 800 fois plus d’effet de serre sur 100 ans que 1 kg de gaz carbonique.

Malgré leurs différents impacts, les gaz à effet de serre sont tous nocifs pour la planète et ses habitants. Réduire ses émissions de GES devient vital pour chaque citoyen afin de limiter l'impact du réchauffement climatique sur l'environnement.

Le méthane, d'une durée de vie de 10 ans dans l'atmosphère, a un PRG d'environ 25 ! Naturellement produit par la décomposition organique et la digestion, il est issu au moins à moitié de l'activité humaine moderne et contribue pour 17 % à l'effet additionnel. 

Méthane effet de serre - Schéma Julie Blanc

 

Les animaux et déchets des élevages intensifs sont de gros pourvoyeurs de méthane, ainsi que les rizières, les exploitations pétrolières et toutes les décharges de matières organiques. Le réchauffement climatique accélère aussi le dégagement de méthane ( permafrost et sédiments marins).

Le protoxyde d'azote (N2O), de PRG 300 et de durée de vie de 115 ans, pèse pour 5 % de l'effet additionnel. La part anthropique est très importante, liée à l'utilisation d'engrais azotés et à certains processus industriels.

L'ozone (O3), protecteur en très haute altitude, est nocif au niveau du sol. La pollution et les activités humaines augmentent les taux d'ozone de basse altitude.

 

Les GES artificiels

L'activité humaine, qui ajoute des émissions spécifiques de GES présents naturellement, crée des émissions de GES artificiels.

Les plus connus sont les halocarbures et les gaz fluorés. Ils génèrent près de 10 % de l'effet additionnel. Les CFC sont connus pour avoir été interdits afin de protéger la couche d'ozone, mais remplacés par des molécules proches. Ils sont typiques d'une activité humaine nouvelle : réfrigération, climatisation, aérosols et différents produits industriels.

Pour eux pas de doute : nous sommes responsables de leur apparition. Pourtant, leurs pouvoirs absorption et leurs durées de vie sont souvent considérables. Le HCFC-22, le plus utilisé, a un PRG de 1800. Le CF4 a un PRG de 7000 pour une durée de vie de 50 000 ans ! Citons aussi le SF6, hexafluorure de soufre, au PRG de 22800 pour une durée de vie de 3200 ans. Toutes ces familles sont dans le collimateur des protocoles de Montréal et de Kyôto. 

 

Les causes de l'effet de serre : un phénomène naturel devenu anthropique (dû à l’Homme)

La composition de l'atmosphère va jouer sur l'intensité de l'effet de serre. Ses deux gaz prépondérants, diazote et dioxygène, n'absorbent pas les infrarouges. Ce sont des gaz bien plus minoritaires qui ont cette faculté.

Des GES existent naturellement, d'autres sont produits par l'activité humaine. Pour analyser un réchauffement climatique anormalement accéléré, il faut distinguer la part anthropique de l'effet de serre, ou part additionnelle due à l’activité humaine.

Cette activité humaine ne serait pas un danger pour la planète si le nombre d'Hommes sur Terre ne cessait de croitre ainsi que ses modes de consommation. La surpopulation associée à une surconsommation est à l'origine de l'effet de serre et donc du réchauffement climatique.

Augmentation population et température - schéma Julie Blanc

 

Explosion des émissions de GES en raison des activités anthropiques

Certains gaz à effet de serre sont présents dans l'atmosphère de manière naturelle. Sans aucune influence de l'Homme, la vapeur d'eau constitue une partie importante de l'enveloppe gazeuse. Ce gaz est issu notamment de l'évaporation de l'eau après l'action de la chaleur.

La production de CO2 dans l'atmosphère résulte également d'un phénomène naturel. Le gaz carbonique est ainsi initialement issu des éruptions volcaniques ou des incendies de forêt.

Moins connus, les autres gaz à effet de serre comme le méthane ou le protoxyde d'azote proviennent aussi de sources naturelles. Appelé également gaz des marais, le CH4 apparaît par exemple de manière naturelle dans des endroits pauvres en oxygène comme les tourbières, tandis que le N2O est émis par des micro-organismes vivant dans le sol ou les océans.

Si la présence d'une partie des gaz à effet de serre est naturelle, leur quantité dans l'atmosphère a augmenté de façon importante suite aux activités humaines. La combustion d'énergie fossile et la déforestation ont par exemple accentué d'environ 30 % le taux de CO2 dans l'atmosphère au cours des deux derniers siècles. L'effet de serre ne fait alors que se renforcer, accélérant la montée des températures globales à l'origine du changement climatique.

 

Pas d'autre Terre - Schéma Julie Blanc

 

Les conséquences de l’effet de Serre :

La concentration croissante des GES dans l'atmosphère perturbe l'équilibre des températures sur la surface terrestre. En raison de la forte concentration de gaz présents dans l'atmosphère, l'effet de serre devient plus important et un déséquilibre est alors constaté entre la part d'énergie reçue du soleil et leur diffusion vers l'espace. L'atmosphère devient ainsi au fil des années de plus en plus étanche, conservant toujours plus de chaleur, un phénomène à l'origine du réchauffement climatique. 

Depuis les années 1850, et vraisemblablement au lendemain de la révolution industrielle, la quantité de gaz à effet de serre augmente de manière anormale dans l'atmosphère. L'apparition de cet excès de GES s'est même accélérée à partir des années 1970, connaissant une augmentation d'environ 80 % depuis cette décennie.

Au cours du siècle précédent, l'amplification de l'effet de serre additionnel est responsable d'une augmentation d'environ + 0,75°C des températures à la surface terrestre.     

 

Effet de serre et réchauffement climatique

La déforestation massive, mais également la combustion d'une quantité toujours croissante d’énergie fossile, sont responsables des émissions de GES additionnels dans l'atmosphère. Les mesures réalisées sur des carottes de glace dans l'Antarctique permettent aux scientifiques de conclure que la concentration de GES dans l'atmosphère connaît des proportions inédites depuis la décennie 1970. 

Le dioxyde de carbone ainsi que les autres gaz présents en trop grand nombre dans l'atmosphère retiennent donc davantage de rayonnement thermique que nécessaire. Le lien entre les gaz à effet de serre et le réchauffement climatique est palpable.

 

Danger Réchauffement climatique - Image Julie Blanc

 

L'augmentation des températures est ainsi l'une des répercussions directes de l'effet de serre additionnel, et les projections du GIEC évaluent à + 2° à + 7 °C (selon les scénarios) ce réchauffement à la surface terrestre d'ici la fin du siècle.      

Cet accroissement des températures va s'accompagner 

 

Qu'est-ce que l'équivalent CO2 et le potentiel de réchauffement global des GES ?

L'empreinte carbone par habitant en France est de 11,7 tonnes équivalent CO2 en 2020. Pour évaluer les gaz à effet de serre émis dans l'atmosphère, les scientifiques membres du GIEC se sont accordés sur l'emploi de l'équivalent CO2 ou CO2 éq. Pour bien comprendre ce que cet indicateur représente, il est utile de connaître ce que regroupent les gaz à effet de serre et leur potentiel de réchauffement global.

Emission CO2 Francais

 

Gaz à effet de serre : le CO2 et les autres

Les émissions excessives de gaz à effet de serre accélèrent le dérèglement climatique et l'augmentation des températures globales sur la planète. Les rejets de ces gaz sont démesurés depuis quelques décennies, car une grande partie d'entre eux découle des activités anthropiques. Le CO2 vient spontanément à l'esprit lorsqu'il s'agit d'évoquer les GES, pourtant le Groupe Intergouvernemental d'Experts sur l’Évolution du Climat en a recensé plus d'une quarantaine d'autres.

  • Le dioxyde de carbone ou CO2

Est le gaz à effet de serre le plus connu, car c'est également le plus courant.

De nombreux processus sont à l'origine de son apparition naturelle. Les éruptions volcaniques laissent échapper naturellement du CO2, tout comme la respiration des animaux et des hommes.

Les actions de l'Homme ont néanmoins précipité l'accumulation de CO2 dans l'atmosphère. En raison de la combustion des carburants fossiles, mais aussi d'autres activités comme l'agriculture intensive, le taux de CO2 a anormalement augmenté. Cette croissance serait de l'ordre de 30 % sur les 200 dernières années. Dans l'atmosphère, le CO2 a pourtant une durée de vie très longue qui serait d'environ 100 ans. Son accumulation dans l'atmosphère est pourtant l'une des principales sources du dérèglement climatique. Ce gaz a en effet la faculté de retenir les rayonnements infrarouges et de les rediriger vers le sol.

Outre le CO2, les activités humaines rejettent d'autres gaz à effet de serre dans l'atmosphère, dont les principaux pollueurs sont :

  • le méthane CH4,

Provient entre autres des exploitations agricoles, de l'extraction et de la combustion du charbon.

Si le CO2 se place en tête de liste dans le classement des gaz à effet de serre, le CH4 arrive en seconde position. Ce puissant GES dispose d’un pouvoir réchauffant 25 fois plus important que celui du dioxyde de carbone. Sa présence dans l’atmosphère est pourtant plus courte, il n’y subsiste qu’environ une décennie.

En 2019, l’OMM (l’Organisation Météorologique Mondiale), précise la teneur de CH4 dans l’atmosphère par rapport à son niveau à l’époque préindustrielle : la concentration de méthane a ainsi augmenté d’environ 260 %, une très mauvaise nouvelle pour le climat.    

  • le protoxyde d'azote N2O,

Il est généré par l'agriculture, mais également par la combustion de biomasse et la production d'acide.

De façon naturelle, le protoxyde d’azote est présent dans les zones océaniques et les sols. Ce gaz à effet de serre a la particularité d’être 300 fois plus réchauffant que le CO2.  La longévité du N2O est par ailleurs plus grande, ce gaz pouvant subsister dans l’atmosphère pendant environ 120 ans, contre 100 pour les molécules de CO2.

Quelques semaines avant la fin de 2020, une étude scientifique démontre que la concentration du protoxyde d’azote dans l’atmosphère dépasse de loin le niveau requis pour respecter les engagements de l’Accord de Paris. Selon les conclusions des scientifiques, la proportion de N2O dans l’atmosphère a augmenté de 20 % par rapport à l’époque préindustrielle.

 Les auteurs de l’étude estiment que le N2O contribue pour environ 7 % du réchauffement climatique d’origine anthropique. Si la concentration de ce gaz dans l’atmosphère continue à augmenter, ils craignent que les efforts pour réduire le CO2 ne soient pas récompensés. Les actions à venir doivent ainsi inclure des politiques visant à réduire les émissions de N2O.

  • l'hexafluorure de soufre SF4,

Est un gaz fluoré utilisé dans les activités industrielles de fabrication de semi-conducteurs.

 

Comment réduire les émissions de CH4 et de N2O

Si les efforts de ces dernières années se concentrent autour de la réduction des émissions de CO2, il devient donc urgent de faire de même pour limiter la concentration des autres gaz à effet de serre dans l’atmosphère. L’exemple du méthane et du protoxyde d’azote en témoigne.

 Au-delà des émissions issues des sources naturelles, le méthane rejeté dans l’atmosphère provient en grande partie des activités anthropiques. Près de 60% des rejets de CH4 découlerait des actions de l’Homme, notamment du fait de l’élevage de bétail, de l’industrie fossile et du traitement des déchets.

 La hausse de la concentration de protoxyde d’azote dans l’atmosphère est également inquiétante. Les émissions de ce gaz à effet de serre augmentent rapidement en raison de la hausse de l’utilisation d’engrais azotés dans le secteur agricole. Les exploitants usent en effet de ces apports pour satisfaire les besoins toujours croissants du secteur de l’élevage, car les bêtes à alimenter sont chaque année plus nombreuses.      

 L’orientation des démarches à venir apparaît ainsi claire aux yeux des observateurs : des mesures visant à limiter les émissions de méthane et de protoxyde d’azote doivent être mises en place. Si certains scientifiques estiment qu’une réduction de la consommation de viande pourrait être un levier intéressant, d’autres proposent de développer une utilisation plus responsable des engrais ou de modifier l’alimentation du bétail pour agir sur la production de méthane.

 

Le potentiel de réchauffement global et l'équivalent CO2

Les activités anthropiques génèrent donc plus d'une quarantaine de GES concluent les analyses du GIEC. Chacun de ces gaz a pourtant un impact bien distinct sur le dérèglement climatique. Chaque gaz possède en effet des caractéristiques qui lui sont propres, et sa contribution au réchauffement des températures globales va ainsi être plus ou moins importante par rapport à celle d'un autre.

La première caractéristique qui distingue un gaz à effet de serre d'un autre est tout d'abord sa capacité à retenir la chaleur dans l'atmosphère et donc à la renvoyer à la surface terrestre. Certains gaz piègent davantage de rayonnements infrarouges dans l'atmosphère par rapport au CO2.

La durée de vie de ces gaz est également une autre caractéristique à prendre en compte pour l'évaluation des GES. Par convention, le CO2 est alors considéré comme point de référence, avec une présence dans l'atmosphère avoisinant 1 siècle.

Le PRG ou potentiel de réchauffement global représente la valeur permettant de comparer l'influence des GES sur le climat. Cette valeur indique le potentiel réchauffant d'un gaz à effet de serre en fonction de sa capacité à piéger les rayonnements infrarouges et selon sa durée de vie dans l'atmosphère. 

Comme le point de référence est le dioxyde de carbone, le GIEC indique que, par convention, son PRG est de 1. Le PRG du méthane quant à lui est de 28, selon le 5e et dernier rapport du GIEC. En d'autres termes, cette lecture du PRG indique que 1 tonne de CH4 émise dans l'atmosphère génère un impact équivalent à des rejets de 28 tonnes de CO2.

L'équivalent CO2 ou CO2 éq est l'unité de mesure utilisée pour pouvoir comparer chaque gaz. Cette solution permet par ailleurs de cumuler l'ensemble des émissions à l'aide d'un outil simplifié et rapidement assimilable par tous. Selon ses observations, le GIEC précise le PRG en CO2 éq sur une période de 100 ans des différents GES dans son 5e rapport :

  • Dioxyde de carbone CO2 : 1
  • Protoxyde d'azote N2O : 265
  • Méthane CH4 : 28
  • Tétrafluorure de carbone CF4 : 6630

Lorsque le ministère de la Transition écologique et solidaire déclare qu'une personne en France est à l'origine des émissions de l'ordre de 10 t CO2 éq, cette quantité induit donc une variété de GES, comme le N2O, le CH4 ou le CF4 comptabilisés en t CO2 éq et pas uniquement le CO2.

 

L’Homme joue à l’apprentie sorcier

Une grande difficulté pour l’être humain est d’appréhender le long terme. Il croira toujours au miracle. Comme celui des aérosols de particules en suspension dans l'air qui ont un effet refroidissant (leurs effets polluants délétères, leur durée de vie est vraiment trop courte pour compenser l'effet de serre), ou des solutions de stockage : la capture et le stockage de carbone fait partie des recommandations du GIEC (3 scénarios sur 4 le préconisent).

 

Réchauffement climatique homme - Schéma Julie BLanc

 

Le plus sage consiste à commencer réellement à limiter nos émissions de GES. Réduire ses émissions de GES devient vital pour chaque citoyen afin de limiter l'impact du réchauffement climatique sur l'environnement.

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