Effet de serre

Lorsque le rayonnement solaire arrive sur notre planète, 30% est directement réfléchi vers l'espace, par les nuages (20%), les diverses couches de l'atmosphère (6%), et la surface de la terre (4%), qui comporte notamment une part non négligeable de glace - les calottes polaires - qui sont particulièrement réfléchissantes.

Le reste est absorbé par les divers composants de notre planète (sol, océans, atmosphère, cf. schéma ci-dessous), puis finalement réémis vers l'espace sous forme de rayonnement infrarouge. En effet, tout comme notre peau chauffe si on la met au soleil, la surface de la Terre et l'atmophère chauffent lorsqu'elles sont exposées à la lumière (en captant son énergie), et en retour émettent des infrarouges.

Les gaz à effet de serre, qui avaient laissé passer la lumière sans encombre, ont par contre la propriété d'absorber une partie de ces infrarouges. Ce faisant, ils en récupèrent l'énergie et chauffent. Tout comme la surface de la terre, ils vont dissiper cette énergie en émettant eux aussi infrarouges, dont une partie retourne vers le sol, le chauffant donc une deuxième fois après que le soleil l'ait fait une première.

Cette interception de chaleur conduit donc ces gaz à effet de serre, puis l'atmosphère basse (on parle de troposphère), puis la surface de la Terre, à être plus chauds que si le rayonnement infrarouge passait à travers l'atmosphère sans être intercepté. Bien sûr, le système finit toujours par s'équilibrer, mais il s'équilibre avec une température de surface supérieure à celle qu'il aurait si ces gaz n'étaient pas là.

Fonctionnement général simplifié de l'atmosphère. Les chiffres représentant la valeur moyenne, temporelle (sur l'année) et géographique (sur la surface de la planète) en Watts par mètre carré, de chaque flux d'énergie représenté.

Le "réchauffement climatique" peut, en première approximation, être résumé de la manière suivante : quand on augmente la concentration de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, cela augmente son opacité au rayonnement terrestre, et donc le terme B (le rayonnement infrarouge terrestre qui parvient à s'échapper directement vers l'espace) diminue. Corrélativement le terme C augmente, ce qui conduit l'atmosphère à recevoir plus d'énergie. Elle rayonne donc plus, et le terme D augmente aussi.

Le sol va donc recevoir une énergie accrue et sa température moyenne va monter.

Les Gaz à effet de serre

http://www.manicore.com/documentation/serre/gaz.html

Les gaz "naturels" à effet de serre

Les deux principaux gaz responsables de l'effet de serre (et pas seulement de son augmentation récente) sont :

• la vapeur d'eau (H2O),
• le gaz carbonique (CO2).

Il en existe d'autres, et même beaucoup d'autres. Certains sont "naturels", c'est à dire qu'ils étaient présents dans l'atmosphère avant l'apparition de l'homme, d'autres sont "artificiels" : ils s'agit de gaz industriels qui ne sont présents dans l'atmosphère qu'à cause de l'homme. Les principaux autres gaz "naturels" à effet de serre sont :

• le méthane (CH4), qui n'est rien d'autre que...le gaz naturel de nos cuisinières,

• le protoxyde d'azote (N2O), nom savant du....gaz hilarant (qui ici ne l'est plus tellement),

• l'ozone (O3), molécule formée de trois atomes d'oxygène (les molécules du gaz oxygène "normal" comportent 2 atomes d'oxygène seulement).

Dire que ces gaz sont "naturels" ne signifie bien évidemment pas que l'homme n'a pas d'influence sur leurs émissions. Cela signifie simplement qu'il y a aussi des sources naturelles. Pour les 3 gaz mentionnés ci-dessus l'homme ajoute sa part et augmente leur concentration dans l'air de manière significative. Mentionnons enfin que le méthane et le protoxyde d'azote sont pris en compte dans les accords internationaux (comme le protocole de Kyoto par exemple), mais pas l'ozone.

Les gaz "industriels" à effet de serre

Les principaux gaz "industriels" à effet de serre sont les halocarbures (formule générique de type CxHyHalz où Hal représente un ou plusieurs halogènes) : il s'agit d'une vaste familles de gaz obtenus en remplacant, dans une molécule d'hydrocarbure (le propane, le butane, ou encore l'octane, que l'on trouve dans l'essence, sont des hydrocarbures), de l'hydrogène par un gaz halogène (le fluor, le chlore...). Les molécules ainsi obtenues ont deux propriétés importantes pour nous :

Elles absorbent très fortement les infrarouges, beaucoup plus que le gaz carbonique,

Certaines d'entre elles (les perfluorocarbures par exemple) sont très "solides" : elles sont chimiquement très stables dans l'atmopshère, et seule la partie la plus "énergique" du rayonnement solaire et intersidéral (les ultraviolets et les rayons cosmiques) peut "casser" les plus résistantes de ces molécules une fois qu'elles sont dans l'atmosphère. Comme ces processus sont lents et n'interviennent que loin du sol, ces molécules d'halocarbures ont dont des durées de vie dans l'atmosphère qui peuvent être très longues, car il faut attendre qu'elles diffusent dans la stratosphère - donc qu'elles montent haut alors qu'elles sont souvent très lourdes - avant d'être "cassées", et cela peut prendre des milliers d'années.

Une famille particulière d'halocarbures, les CFC, est non seulement un gaz à effet de serre, mais aussi responsable de la destruction de l'ozone stratosphérique. Leur production a été progressivement interdite, par le protocole de Montréal signé en 1987, qui ne concerne pas les autres gaz à effet de serre.

Il existe également un autre gaz industriel que l'on mentionne souvent dans les milieux spécialisés, l'hexafluorure de soufre (SF6). Il est utilisé par exemple pour les applications électriques (transformateurs) et...les doubles vitrages. Il n'est pas émis en grande quantité mais est encore plus absorbant pour les infrarouges et résistant à la partie "dure" du rayonnement solaire que les halocarbures.

Quels sont les gaz qui font le plus d'effet de serre et d'où viennent-ils ?

Si nous ne nous occupons pas de la raison pour laquelle ils sont dans l'atmosphère, le gaz qui fait le plus d'effet de serre est...la vapeur d'eau

Répartition des contributions à l'effet de serre des différents gaz présents dans l'atmosphère : l'eau, sous toutes ses formes, en représente les 3/4. La partie "autres gaz" est essentiellement due au gaz carbonique ou CO2. Source : GIEC

Mais si l'on se limite à l'effet de serre d'origine humaine, que l'on appelle parfois effet de serre "additionnel" (parce qu'il se rajoute à celui d'origine naturelle), ou anthropique, la répartition par gaz est totallement différente) :

Les émissions directes de vapeur d'eau (provenant des centrales électriques, de l'irrigation, des barrages, de la déforestation...) ne sont pas prises en compte. En effet, sur une planète couverte aux 2/3 d'eau (les océans), et compte tenu du fait que l'eau ne s'accumule pas dans l'atmosphère où son temps de résidence est de l'ordre d'une semaine seulement, les émissions d'origine humaine ne sont pas suffisantes pour perturber le cycle global de l'eau. L'action de l'homme peut très significativement perturber le cycle local de l'eau (la Mer d'Aral en offre un bon exemple) mais cela n'a pas de répercussions significatives au niveau de la teneur moyenne en vapeur d'eau de l'ensemble de l'atmosphère, or c'est celle-là qui gouverne l'effet de serre qui en résulte.

Ce qui précède explique pourquoi il n'est pas tenu compte de la vapeur d'eau, excepté dans quelques cas bien particuliers, lorsque l'on calcule les émissions de gaz à effet de serre liées à l'activité humaine.

Le gaz carbonique engendre environ 55% de l'effet de serre anthropique. Il y a bien sûr des émissions naturelles (la respiration des animaux, une partie de la putréfaction, les incendies naturels...). Le gaz carbonique venant des activités humaines (on parle d'émissions anthropiques, c'est à dire provoquées par l'homme) provient :

pour l'essentiel de la combustion des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz),

pour partie de certaines industries (par exemple pour la production de ciment),

enfin pour une part non négligeable de la déforestation, notamment en zone tropicale (voir la page sur les puits pour les explications).

Le méthane engendre environ 15% de l'effet de serre anthropique. Le méthane est un gaz qui se forme dès qu'un composé organique (un animal, une plante) se décompose à l'abri de l'oxygène de l'air (par fermentation ou putréfaction), par exemple au fond de l'eau ou sous terre. Les réserves de gaz naturel ne se sont pas formées autrement que par la décomposition, il y a très longtemps, de plantes et d'animaux, qui se sont d'abord transformés en hydrorcarbures liquides, puis en gaz. Une partie du méthane présent dans l'atmosphère est donc d'origine parfaitement naturelle, provenant notamment des zones humides (marécages, marais, etc) et...des termites !

Mais l'homme y rajoute sa part. Le méthane d'origine humaine provient :

• pour une part de la combustion, notamment des brûlis en zone tropicale (la combustion du bois est toujours une combustion imparfaite, qui libère dans l'atmosphère des composés mal ou pas brûlés, dont du méthane),

• de l'élevage des ruminants (vaches, moutons, chèvres, yaks...), car les aliments qu'ils ingèrent fermentent dans leur estomac, en dégageant du méthane (à titre informatif il y a environ 20 millions de bovins en France : le poids des vaches est supérieur au poids des hommes !),

• de la culture du riz, car les zones humides en général émettent du méthane (comme nos marécages : les feux follets ne sont rien d'autre que la combustion spontanée du méthane produit au fond des marécages, là où les plantes pourrissent sans air),

• des décharges d'ordures ménagères (encore le pourrissement) et du compostage,

• des exploitations pétrolières et gazières, à cause des fuites de gaz naturel.

• Les halocarbures engendrent environ 15% de l'effet de serre anthropique(pas d'émissions naturelles). Les premiers représentants de cette famille sont connus de tous : il s'agissait des CFC, désormais remplacés par d'autres gaz voisins, mais qui ne détruisent pas l'ozone stratosphérique. Ces gaz sont utilisés :

• comme gaz réfrigérants (dans les systèmes de climatisation et les chaînes du froid) ; les émissions de ce poste proviennent essentiellement des fuites et mise à la décharge des systèmes de climatisation,

• comme gaz propulseurs dans des bombes aerosols ; les fameux CFC constituent une sous-famille devenue célèbre des halocarbures. Le Protocole de Montreal a décidé leur éradication progressive car, en plus d'être de puissants gaz à effet de serre, ils sont aussi responsables de la diminution de l'ozone en haute altitude,

• dans certains procédés industriels (fabrication de mousses plastiques, mais aussi...de composants d'ordinateurs ou de téléphones portables).

• Le protoxyde d'azote (N2O) engendre environ 5% de l'effet de serre anthropique. Pour ce gaz il y a aussi des émissions naturelles, qui proviennent essentiellement des zones humides. La part "humaine" (anthropique) provient

• de l'utilisation des engrais azotés en agriculture,

• de certains procédés chimiques.

• L'ozone (O3) troposphérique engendre enfin environ 15% de l'effet de serre anthropique. L'ozone est une variante de l'oxygène (une molécule d'ozone comporte 3 atomes d'oxygène au lieu de 2 pour le gaz "oxygène" normal) qui est naturellement présent dans l'atmosphère. Selon l'endroit où il se trouve il nous intéresse beaucoup ou il nous est nuisible :

• dans la haute atmosphère, où l'on parle d'ozone stratosphérique (la stratosphère est la couche de l'atmosphère située entre 10 et 50 km d'altitude), il arrête les ultraviolets du soleil qui ont tendance à "casser" les liaisons chimiques indispensables à la vie ; il nous y est donc très utile (sans cette couche d'ozone stratosphérique la vie évoluée n'existerait probablement pas en dehors des océans),

• dans nos villes, bien qu'il continue aussi à arrêter les ultraviolets les plus agressifs qui viennent du soleil (mais près du sol il n'en reste plus beaucoup à arrêter, heureusement), il montre aussi une autre de ses facettes, c'est que c'est un oxydant très agressif, et donc que nos poumons n'aiment pas beaucoup en respirer. L'ozone troposphérique (la troposphère est la couche la plus basse de l'atmosphère, celle qui "touche" le sol) est l'un des composants de la pollution locale, et provient indirectement de la combustion d'hydrocarbures. Ce terme de l'effet de serre est donc - outre le CO2 - une conséquence du transport (pour plus d'explications sur l'ozone, voir cette page).

Depuis le début de l'ère industrielle, c'est à dire depuis l'année 1750 environ, ce que nous avons mis dans l'atmosphère a pour effet d'introduire un "forçage radiatif" de l'ordre de 1% du rayonnement reçu.

Dit autrement, à travers ses émissions de gaz à effet de serre l'homme a modifié la situation "comme si" le soleil avait augmenté sa puissance d'environ 1%. Cela peut paraître peu. Pourtant, compte tenu des énergies considérables qui sont en jeu, de la fragilité de certains équilibres naturels, et du fait que ces effets agissent sur de longues périodes, c'est très significatif pour notre avenir, comme on le verra plus loin.

Combien de temps restent-ils dans l'atmosphère ?

Les gaz à effet de serre, une fois dans l'atmosphère, n'y restent cependant pas éternellement. Ils peuvent être retirés de l'atmosphère :

• soit par suite d'un phénomène physique. Par exemple la pluie, phénomène physique (condensation), enlève de la vapeur d'eau de l'atmosphère.

• soit par suite d'un phénomène chimique intervenant au sein de l'atmosphère. C'est le cas pour le méthane, qui s'élimine par réaction avec des radicaux OH naturellement présents dans l'atmosphère, pour donner du CO2.

• soit par suite d'un phénomène chimique intervenant à la frontière entre l'atmosphère et les autres compartiments de la planète. C'est le cas pour le CO2, qui est réduit par la photosynthèse des plantes, ou qui est dissous dans l'océan pour finir par donner des ions bicarbonate et carbonate (le CO2 est chimiquement stable dans l'atmosphère),

• soit par suite d'un phénomène radiatif. Par exemple les rayonnements électromagnétiques "durs" émis par le soleil et les rayons cosmiques (qui sont de même nature que les rayons émis par une source radioactive) "cassent" des molécules dans la haute atmosphère. Une partie des halocarbures disparait de cette façon (ce sont généralement des molécules trop stables pour disparaître par réaction chimique dans l'atmosphère) ; certains halocarbures sont cependant encore suffisemment réactifs (encore suffisemment proches des hydrocarbures) pour disparaître comme le méthane, par réaction chimique avec d'autres composés de l'atmosphère.

Mais la très mauvaise surprise, c'est que mis à part la vapeur d'eau, qui s'évacue en quelques jours, les gaz à effet de serre mettent très longtemps à s'en aller de l'atmosphère. Ce n'est pas facile de savoir avec précision combien de temps est nécessaire, car l'atmosphère est un système très complexe, faisant intervenir tout un ensemble de phénomènes (physiques, chimiques, biologiques...), dont les scientifiques n'ont pas pencore perçé tous les mystères (on ne se doute pas, quand on regarde en l'air, que c'est si compliqué !).

Cela étant, on a désormais une estimation de la durée de séjour, c'est à dire du temps qui est nécessaire à ce que le gaz en surplus disparaisse de l'atmosphère, pour les principaux d'entre eux. Bien entendu cette durée de séjour (ou de résidence) n'est valide que pour autant que les conditions restent "égales par ailleurs".

Gaz Durée de séjour approximative dans l'atmosphère

Gaz carbonique 100 ans

Méthane 12 ans

Protoxyde d'azote 120 ans

Halocarbures jusqu'à 50.000 ans

On voit immédiatement ci-dessus que l'essentiel des gaz que nous émettons aujourd'hui, y compris le gaz carbonique que nous avons par exemple émis ce matin en venant travailler en voiture, ou hier en faisant fonctionner la chaudière, sera encore au-dessus de la tête de nos petits-enfants dans 1 ou 2 siècles. Et bien sur, tout le temps que ces gaz restent au-dessus de nos têtes, ils contribuent à l'augmentation de l'effet de serre.

Comment se comparent-ils ?

Afin de pouvoir faire des comparaisons (ce qui est essentiel pour pouvoir faire des plans d'action, car tant que l'on ne sait pas si il est préférable d'éviter l'émission de 1 kg de CO2 ou de 1 kg de méthane, il est difficile d'établir des priorités, et donc de choisir), on a la possibilité de calculer, pour chacun des gaz à effet de serre, un "pouvoir de réchauffement global" ou PRG, qui permet de savoir de combien on augmente l'effet de serre lorsque l'on émet un kg du gaz considéré.

Le pouvoir de réchauffement global d'un gaz se définit comme le "forçage radiatif" (c'est à dire la puissance radiative que le gaz à effet de serre renvoie vers le sol), cumulé sur une durée qui est généralement fixée à 100 ans, d'une quantité de gaz donnée.

En gros c'est une notion qui permet d'appréhender à la fois sa "puissance instantanée" (qui est le forçage radiatif, c'est à dire la quantité de rayonnement qu'il intercepte et renvoie vers le sol), découlant de ses raies d'absorption, et sa durée de séjour dans l'atmosphère.

Cette valeur ne se mesure pas dans l'absolu, mais relativement au CO2. Le PRG d'un gaz est donc "combien de fois plus" (ou combien de fois moins) un gaz "fait d'effet de serre sur 100 ans" (c'est à dire combien d'énergie il renvoie vers le sol sur cette période) comparé à ce que ferait une même quantité de CO2 émise au même moment. On parle alors de "PRG relatif".

Il importe cependant de noter qu'il existe des "zones de recouvrement" entre les différents gaz à effet de serre : plusieurs d'entre eux (notamment le méthane et le protoxyde d'azote) absorbent les mêmes longueurs d'onde, ce qui fait que l'effet d'un supplément d'un des gaz n'est pas indépendant de la proportion des autres gaz déjà présents dans l'atmosphère.

Il importe aussi de noter que le temps qu'un gaz reste dans l'atmosphère dépend des conditions du moment : si les puits abosrbant le gaz carbonique saturent, sa durée de séjour dans l'air augmentera. Postuler que la vitesse délimination du CO2 de l'atmosphère sera stable sur 100 ans étant précisément contraire à la conclusion (les choses vont changer) il en résulte que cette notion est par construction approximative.

Le PRG est donc une manière simplifiée de représenter les choses : si l'on voulait être exact, chaque PRG serait une fonction non seulement de la capacité d'absorption propre de chaque gaz et de sa durée de vie dans l'atmosphère, mais aussi de la concentration des autres gaz déjà présents, et encore de l'évolution future des cycles !

Cela est bien évidemment impossible (ou tout du moins pas avec des formules explicites). Toutefois, pour imparfaite qu'elle puisse être, une comparaison approximative reste bien préférable à pas de comparaison du tout pour guider l'action.

Voici les PRG relatifs des 6 gaz ou familles de gaz (les Perfluorocarbures et Hydrofluorocarbures sont des halocarbures particuliers) visés par le protocole de Kyoto :

Gaz Formule PRG relatif / CO2 (à 100 ans)

Gaz carbonique CO2 1

Méthane CH4 23

Protoxyde d'azote N2O 298

Perfluorocarbures CnF2n+2 6500 à 8700

Hydrofluorocarbures CnHmFp 140 à 11700

Hexafluorure de soufre SF6 23900

Source : GIEC

Ce que signifie le tableau ci-dessus, c'est donc que si on met 1 kg de méthane dans l'atmosphère aujourd'hui, on produira le même effet, sur le siècle, que si on avait mis 23 kg de gaz carbonique (aussi émis aujourd'hui). On pourrait résumer en disant qu'un kg de méthane fait 23 fois l'effet de serre qu'un kg de gaz carbonique fait, ou encore que le méthane est un gaz 23 fois plus puissant que le gaz carbonique pour l'effet de serre.

Si on met 1 kg d'hexafluorure de soufre dans l'atmosphère, on fait 23.900 fois plus d'effet de serre que si on met un kg de gaz carbonique : pour l'effet de serre un kg de ce gaz "vaut" 23,9 tonnes de CO2, c'est à dire plus que l'émission annuelle de 3 Français ! Heureusement nous en émettons de toutes petites quantités pour le moment (voir plus loin).

Enfin plutôt que de mesurer le poids de gaz carbonique, les ingénieurs et les économistes ont pris l'habitude de parler d'équivalent carbone. Tout comme les longueurs se mesurent en mètres, les émissions de gaz à effet de serre se mesurent en équivalent carbone.

Par définition, un kg de CO2 vaut 0,2727 kg d'équivalent carbone, c'est à dire le poids du carbone seul dans le composé "gaz carbonique".

Pour les autres gaz, l'équivalent carbone vaut :

équivalent carbone = PRG relatif x 0,2727

Cela peut sembler très compliqué, mais c'est au contraire très simple. En effet, cette convention permet de savoir combien d'équivalent carbone nous obtiendrons dans le CO2 résultant de la combustion d'un hydrocarbure donné. Il suffit de mesurer le poids de carbone par kg d'hydrocarbure brûlé, et cela donnera l'équivalent carbone du CO2 émis (l'hydrogène donne de l'eau, qui ne compte pas, comme expliqué au début de cette page). Simple, dis-je !

Pour les principaux gaz à effet de serre, par exemple, les équivalents carbone sont les suivants.

Gaz Formule équivalent carbone par kg émis

Gaz carbonique CO2 0,273

Méthane CH4 6,27

Protoxyde d'azote N2O 81,27

Perfluorocarbures CnF2n+2 1.772,73 à 2.372,73

Hydrofluorocarbures CnHmFp 38,2 à 3.190,9

Hexafluorure de soufre SF6 6.518,2

La "taxe carbone", envisagée par les états pour décourager l'émission de gaz à effet de serre, utiliserait l'équivalent carbone pour fixer le niveau de la taxe selon les gaz. Si la tonne de carbone vaut 1.000 euros, alors l'émission d'une tonne de gaz carbonique sera taxée 273 euros, l'émission d'une tonne de méthane 5.730 euros, l'émission d'une tonne de protoxyde d'azote 84.550 euros, etc.

Une fois que nous avons une base de comparaison des gaz à effet de serre (sinon ce n'est pas possible !), nous pouvons alors donner une répartition par gaz des émissions humaines, qui se présente comme suit, hors ozone (qui, comme expliqué plus haut, n'a pas d'émissions directes) :

Répartition des émissions humaines de gaz à effet de serre par gaz, en millions de tonnes équivalent carbone, en 2000. Source : GIEC

Même chose que le graphique de droite, mais avec une présentation donnant la part de chaque gaz. Source : GIEC

Les aérosols

Outre les gaz à effet de serre, l'homme émet aussi des aérosols et des "précurseurs d'aérosols".

Un aérosol est une suspension dans l'air de gouttelettes ou de poussières. Nous en voyons tous les jours un exemple : les nuages. Mais un "nuage de poussière" rentre aussi dans cette catégorie : quand nous passons le balai un peu énergiquement, nous provoquons un aérosol.

Les émissions d'aérosols comprennent par exemple :

les particules fines émises lors de la combustion de pétrole ou de charbon (les fameuses fumées noires d'une voiture diesel, par exemple),

les particules fines émises lors de l'utilisation du bois comme combustible (ce qui représente 10% de la consommation d'énergie à la surface de la planète, en ordre de grandeur),

la poussière directement soulevée par la circulation routière, ou l'exploitation de carrières...

Un précurseur est quelque chose qui précède : les précurseurs d'aérosols sont donc des substances gazeuses qui, par suite de diverses transformations physiques ou chimiques, peuvent conduire à la formation d'aérosols.

Les émissions de précurseurs d'aérosols regroupent :

les émissions de dioxyde de soufre (SO2), qui est un polluant local bien connu provoqué par la combustion de n'importe quel produit contenant du soufre, et notamment le charbon et le pétrole (qui contiennent toujours du soufre à l'état brut). Ce dioxyde se transforme ensuite en petites particules de sulfate (SO4), solides.

à un degré moindre, les émissions d'oxydes d'azote (NOx), essentiellement en provenance de l'agriculture, qui conduiront à la formation de particules solides de nitrates.

Les aérosols ont deux effets :

ils réfléchissent ou absorbent la lumière, selon la couleur des particules qui les composent,

leurs particules founissent des "noyaux de condensation", ce qui signifie qu'ils favorisent la condensation de la vapeur d'eau de l'atmosphere en petites gouttes, ce qui conduit à des modifications dans la formation des nuages. Ces derniers sont, comme nous l'avons vu, des aérosols d'un genre particulier, et qui en plus interviennent de 2 manières opposées en ce qui concerne le changement climatique.

Que font les nuages ?

composés d'eau, ils contribuent à l'effet de serre (voir plus haut),

mais par contre, en empêchant la lumière de passer (la lumière est plus facilement réfléchie vers l'espace par un nuage que par un ciel clair) ils ont un effet "refroidissant" sur la surface.

Il se trouve que le bilan précis de ces deux effets antagonistes a une influence déterminante sur l'élévation de température que notre planète connaîtra au 21è siècle, et une représentation précise des nuages dans les modèles climatiques est clairement l'un des défis de la science aujourd'hui.

Il est toutefois déjà établi que c'est l'effet de serre qui l'emporte sur l'effet de réflexion pour les nuages hauts (cirrus), lesquels sont suffisemment translucides pour laisser passer la lumière en quantités significatives, mais sont déjà relativement opaques aux infrarouges, alors que c'est l'effet de réflexion qui l'emporte sur l'effet de serre pour les nuages bas (cumulus, stratus...) qui ont donc globalement un effet refroidissant sur le climat.

Comme le SO2 a tendance a favoriser la formation de nuages bas, outre le pouvoir de réflexion des particules de sulfate qu'il engendre, il est donc considéré comme un "refroidisseur du climat". Cela étant, il est aussi responsable des fameuses pluies acides, qui ont des effets négatifs forts sur les sols et la végétation, et nos poumons ne l'apprécient guère. Il est difficilement concevable d'en émettre beaucoup pour combattre l'effet de serre ! En fait la majorité des politiques publiques d'environnement visent des diminutions importantes en ce qui concerne les émissions de ce gaz, avec des résultats significatifs comme on peut en retrouver la trace...dans les glaces polaires.

Concentration en sulfates (milligrammes de SO4 par tonne de glace ; axe vertical de gauche) dans la glace des pôles depuis 1800. L'échelle de droite donne les émissions correspondantes, en millions de tonne de souffre par an.

Source : GIEC, 2001

Mais, comme pour les gaz à effet de serre, la nature sait aussi émettre des aérosols, notamment à travers le volcanisme. Par exemple l'éruption du volcan Pinatubo, qui a envoyé dans la haute atmosphère plusieurs km3 de matière sous forme de poussière, poussière qui y est resté assez longtemps, a provoqué une baisse mesurable des températures mondiales (0,1 - 0,2 °C) pendant quelques années (qui est en fait plutôt un arrêt momentanné de la hausse due à l'effet de serre !).

En bref, les aérosols ont des effets directs sur le rayonnement, et indirects en favorisant des nuages qui peuvent être hauts ou bas. Leur contribution, globalement "refroidissante", est encore un sujet d'étude scientifique intense.

Gaz à effet de serre contre aérosols : qui gagne ?

Une partie de l'impact des gaz à effet de serre que nous accumulons dans l'atmosphère est donc compensée par l'effet des aérosols et des précurseurs d'aérosols que nous mettons aussi dans l'atmosphère.

Toutefois les effets des divers gaz (effet de serre supplémentaire, réchauffant, ou effet "refroidissant des aérosols) ne sont pas identiques en tout point de la planète.

Le graphique ci-dessous représente la distribution géographique de l'effet de serre supplémentaire engendré par :

les gaz autres que l'ozone (à gauche),

l'ozone près du sol (à droite),

les aérosols de type "suies" (à droite), et de type "poussières", à gauche.

Les couleurs rouges correspondent à un réchauffement, les bleues à un refroidissement.

Source : GIEC, 2001

Mais les aérosols ont une caractéristique importante qui fait que leurs effets ne perdurent pas très longtemps après leur émission : leur durée de vie dans l'atmosphère est de quelques semaines seulement (un nuage finit par provoquer de la pluie : il ne reste pas des années en l'air ; les poussières retombent à la surface de la Terre, tout comme la poussière "envoyée en l'air" par notre balai retombera assez vite sur le plancher - et les meubles). Ils ne s'accumulent donc pas dans l'atmosphère, à la différence des gaz à effet de serre.

Les scientifiques sont donc certains du fait que les aérosols ne peuvent compenser l'effet des gaz à effet de serre sur le long terme.

Par ailleurs, la durée de brassage de l'atmosphère (c'est à dire le temps qu'il faut pour qu'une partie d'un gaz émis en Australie se retrouve au-dessus de New-York) étant de quelques mois seulement (une année tout au plus), les lieux d'émission des gaz à effet de serre sont sans importance. Cela explique pourquoi des négociations internationales sont inévitables.

Ce n'est pas le cas des aérosols qui influent plus particulièrement au-dessus des zones où ils sont émis (le nuage au-dessus de New-York n'empêche pas les habitants de Sydney d'avoir chaud).

Nous pouvons aussi faire un "bilan global" de ces contributions, pour les comparer pour la terre entière, ce qui donne alors le graphique ci-dessous.

Le graphique ci-dessous compare les uns aux autres les différentes composantes - positives ou négatives - qui jouent sur les échanges d'énergie entre la Terre et l'espace (en Watts par mètre carré). "radiative forcing" désigne le supplément - ou le déficit - de rayonnement reçu par la terre du fait de la présence de la substance émise. Seule la contribution humaine est prise en compte, bien sur.

De gauche à droite on trouve respectivement :

les contributions des gaz à effet de serre (CO2, CH4, N2O, halocarbures, voir plus haut),

les contributions de l'ozone stratosphérique (celui de la fameuse "couche") et de l'ozone troposphérique (celui des "pics de pollution")

les contributions des différents aérosols (voir plus haut),

les contributions des avions hors émissions directes de CO2

les conséquences du changement d'albedo découlant du changement d'usage des sols (l'albedo est ce qui sert à mesurer le pouvoir de réflexion d'une surface : l'albedo d'un mirroir est proche de 1 - toute lumière reçue est réfléchie - et celui d'un corps noir est proche de zéro - toute lumière reçue est absorbée). par exemple, quand on déforeste, l'albedo augmente, car une forêt absorbe généralement plus de rayonnement que des cultures ou un sol nu.

Bien que cela ne soit pas un effet du à l'homme, la contribution des variation d'activité du soleil.

Pour toutes ces contributions, les rectangles représentent les valeurs les plus probables, et les tirets la zone d'incertitude. Lorsque le tiret est très grand par rapport au rectangle, cela signifie que l'on n'a qu'une vague idée de la valeur. Le niveau de compréhension des processus à l'oeuvre - et donc le degré de confiance dans l'estimation - est indiqué en clair sur la dernière ligne (de high, pour élevé, à very low, pour très faible).

Source : GIEC, 2001