Qu’est-ce que l’effet de serre ?

CAPSULE ÉNERGÉTIQUE

Introduction

Avant d’aborder le sujet spécifique à cette partie, il est nécessaire de préciser un concept important en ce qui concerne la méthode scientifique utilisée afin de démontrer une hypothèse.  Deux approches différentes peuvent être utilisées, le domaine étudié imposant l’une ou l’autre.

Preuve par déduction logique :
Cette approche relie des propositions dites prémisses à une proposition dite conclusion et assure que ce mode de pensée préserve la cohérence.  Prémisses et conclusion sont reliées par une règle de déduction, assurant ainsi que si la règle est valide et si les prémisses sont vraies, la conclusion est elle aussi vraie.  Cette approche est utilisée en sciences physiques et mathématiques, c’est ainsi que se sont développées les théories de Newton, d’Einstein et bien d’autres.

Preuve par induction (accumulation) :
Raisonnement qui se propose de chercher des lois générales à partir de l’observation de faits particuliers, sur une base probabiliste.  Cette approche est utilisée entre autres dans le domaine des sciences biologiques et environnementales, où il est impossible de procéder uniquement par déduction mathématique, car trop d’éléments interagissent entre eux.  On peut dire que c’est l’approche utilisée dans tous les domaines qui ont comme sujet d’étude les systèmes complexes.

Cette approche est tout de même très rigoureuse et scientifique, elle utilise comme outil de base de nombreux concepts développés par la première approche.  Les conclusions découlant de cette approche peuvent être critiquables, comme n’importe quelle théorie scientifique, mais comme elles ont comme champ d’études des domaines où les humains ont des intérêts et des désirs, elles se butent régulièrement à des résistances qui rendent plus difficile leur acceptation.

Citons à titre d’exemple l’effet du tabac sur la santé (50 ans de lutte), l’effet du DDT sur la génétique (mis en lumière en 1962 par Rachel Carson), et maintenant les changements climatiques régulièrement niés par les climatosceptiques, qui ont généralement des intérêts financiers à protéger, ou des habitudes de vie considérées comme immuables.

L’équilibre thermique de la Terre  

La Terre est un système thermodynamique considéré comme un système fermé, mais non isolé.  Cela veut dire qu’il y a échange d’énergie entre la Terre et son environnement, mais très très peu d’échange de matière.  Quelques météorites atteignent la surface de temps à autre, et un peu de gaz, surtout de l’hydrogène, est perdu au niveau de la haute atmosphère.  Par contre un échanger d’énergie important se fait entre la Terre et l’univers.  L’énergie qui arrive sur la planète est essentiellement de l’énergie solaire dont l’intensité est principalement centrée dans la zone visible du spectre de rayonnement.  Cette énergie est émise en permanence par le soleil, et comme la Terre tourne sur elle-même, il y a toujours une partie qui est éclairée.  En même temps la Terre perd de l’énergie également en continu.  Cette énergie est émise par le sol terrestre sous forme de rayonnement infrarouge dont l’intensité est fonction de la température du sol.  Plus cette température est élevée, plus la longueur d’onde est courte et l’intensité élevée.

Pour que l’équilibre soit atteint, il faut que la quantité d’énergie qui entre dans le système soit égale à la quantité qui sort du système.  De cette façon la température moyenne se maintient à une valeur constante dans le temps.

Terre_échanges_énergie

Description de ce qu’est l’effet de serre

On appelle « effet de serre » le piégeage du rayonnement infrarouge par l’atmosphère terrestre.  Cette appellation réfère aux parois en verre d’une serre de jardin qui possèdent la propriété de laisser passer le rayonnement solaire visible et de bloquer partiellement le rayonnement infrarouge émis par les objets à l’intérieur de la serre.  Ce qui fait que la température interne sera plus élevée que celle à l’extérieur de la serre.  En réalité, l’analogie reste utile, mais partielle.  Dans une serre, l’air ne subit pas de mouvement convectif important, ce qui n’est pas le cas de la planète où l’air qui l’entoure se déplace constamment.  Mais la partie échange d’énergie par rayonnement reste similaire.

Serre_végétaux

Pour cette raison le terme 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 ».

L’atmosphère terrestre est composée principalement des gaz suivants :

  • Azote (N2) …………………  1 %
  • Oxygène (O2) ……………… 20.9 %
  • Argon (Ar)  ………………..  9 %
  • Gaz carbonique (CO2 ) ……. 400 ppm (ou 0.04 %)
  • Vapeur d’eau (H2O) ……….  Quantité très variable selon le lieu et la saison
  • Plusieurs autres gaz en faible quantité : Néon (Ne), Hélium (He), Méthane (CH4), Krypton (Kr)

À part l’ozone (O3) qui capte en partie des rayonnements ultra-violets au niveau de la stratosphère, et les nuages qui interagissent avec le rayonnement visible, les autres gaz sont transparents au rayonnement solaire entrant.  Mais face au rayonnement infrarouge, chaque type de molécule a une interaction différente, certains sont complètement transparents, comme l’azote (N2) et l’oxygène (O2),  mais d’autres captent le rayonnement infrarouge, comme le CO2 et la vapeur d’eau (H2O), l’empêchant de quitter directement vers l’espace.  Ils font ainsi office de « couverture » en retenant prisonnière une partie de l’énergie, ce qui permet de conserver la température actuelle de la planète.

Si le chauffage supplémentaire du sol lié à l’effet de serre n’existait pas, la surface terrestre aurait une température moyenne de -18°C plutôt que de +15 °C comme actuellement, rendant notre planète tout à fait inhospitalière pour les bipèdes que nous sommes.  L’effet de serre de notre atmosphère est donc un phénomène bénéfique, mais c’est le déséquilibre thermique créé par les humains qui pose problème.

Bilan d’énergie de la Terre

Constante_solaireLa constante solaire représente l’intensité lumineuse incidente sur une surface de 1 m2 à l’extérieur de l’atmosphère terrestre, sa valeur est actuellement de 1365 W/m2 .  Une petite partie de cette énergie est  réfléchie par les nuages et par les particules en suspension dans l’atmosphère, principalement les molécules de sulfates et de nitrates, une autre partie atteint le sol, mais est réfléchie par les surfaces qui agissent comme des miroirs (ce qui est appelé l’albédo), comme la neige et les glaces polaires.  Le reste du rayonnement solaire est absorbé par le sol, les plantes et l’eau des océans.

Ronds_de_poêleTout corps ayant une température plus élevée que 0 K (ou -273 °C) émet un rayonnement qui est fonction de cette température.  On a tous fait l’expérience d’approcher une main d’un rond de poêle qui a été en marche il y a peu de temps et on constate que l’on ressent une chaleur même si le rond est redevenu noir.  C’est la démonstration de l’effet de transfert de chaleur par rayonnement.  De même la Terre a une température variable entre le pôle et l’équateur, émettra un rayonnement qui est fonction de la température locale.  Mais en moyenne, le rayonnement émis par notre planète est celui d’un corps à 15°C.

Ce rayonnement est émis vers le ciel et si rien ne l’arrêtait, il serait perdu dans l’espace.  Les gaz qui ont la capacité de capter l’infrarouge émis par la Terre vont augmenter légèrement leur température et naturellement réémettre du rayonnement, mais cette fois-ci dans toutes les directions.  Ce qui fait que globalement la moitié de l’énergie captée sera retournée vers le sol et l’autre partie sera perdue vers le vide extérieur.  C’est ce que montre la figure qui suit.  Le bilan de ce qui entre moins ce qui sort doit être de zéro, ainsi la température moyenne de la Terre ne change pas.

Depuis le début de l’ère industrielle, les humains ont commencé à modifier un paramètre important, la transmissivité de l’atmosphère en augmentant la concentration des gaz qui ont la capacité d’absorber le rayonnement infrarouge, les GES.  En augmentant la concentration de ces gaz, principalement le CO2 , le méthane (CH4) et le protoxyde d’azote (N2O), on augmente la quantité de chaleur qui sera réémise vers le sol, une température plus élevée du sol en découle, ce qui augmentera la quantité d’énergie réémise vers l’atmosphère pour attendre un nouveau point d’équilibre.  La constante solaire étant restée à la même valeur.

Bilan_énergie_Terre.png+

La figure qui précède montre l’ensemble des échanges d’énergie entre le rayonnement solaire entrant (342 W/m2), la partie réfléchie (77 W/m2 + 30 W/m2), la partie absorbée par le sol (168 W/m2) et l’ensemble de ce qui est transmis par le sol vers l’atmosphère.  Sont pris en compte, le transfert par rayonnement du sol (390 W/m2), l’échange dû à l’évaporation de l’eau des océans (78 W/m2) et le transfert par convection entre le sol et l’air (24 W/m2), ainsi que le rayonnement infrarouge retournée vers le sol par l’atmosphère (324 W/m2).

La somme de ce qui entre et de ce qui sort au niveau de la haute atmosphère est bien égale à zéro.

La figure qui suit présente la courbe d’émission du rayonnement solaire (en rouge) et celle de la Terre, mais dans ce cas, trois courbes sont nécessaires afin de représenter différents climats que l’on retrouve sur la planète (en bleu).  En dessous se trouvent les courbes représentant le pourcentage d’énergie absorbée par les gaz constituant l’atmosphère.  La première correspond au cumul des effets, et les courbes du dessous correspondent à l’effet de chaque gaz pris individuellement.

On constate que certaines fenêtres d’absorption se chevauchent et que celle qui a le plus grand impact est la vapeur d’eau.  C’est normal, car sa concentration moyenne dans l’atmosphère est la troisième en importance après l’azote et l’oxygène.  Mais il ne faut pas oublier que l’eau à un cycle relativement court dans l’atmosphère, elle monte par évaporation, se condense et retourne au sol sous forme de pluie ou de neige, et ce en quelques heures à quelques jours.  Par contre le CO2, le méthane ou d’autres gaz, peuvent rester dans l’atmosphère plusieurs années et même plusieurs siècles.  Cette persistance entraîne un phénomène d’accumulation avec le temps, ce qui est bien notable avec le gaz carbonique.

Émission_transmission_rayonnement_atmosphère

Rayonnement solaire et thermique et bandes d’absorption

Selon les études du GIEC, en 150 ans la température moyenne du globe a augmenté d’environ 0.8 °C.  Cela semble peu, mais les effets de cette hausse sont déjà notables à bien des endroits sur Terre.  Cette augmentation est surtout marquée depuis les 40 dernières années.  Voir la capsule sur les changements climatiques.

Différence entre  ‘Météorologie’ et ‘Climatologie’ 

Afin de mieux comprendre l’ensemble du débat concernant les changements climatiques, il est nécessaire de définir deux termes qui prêtent parfois à confusion.  Météorologie et climatologie.

Météorologie au sens le plus courant : 
Selon le dictionnaire Larousse, la météorologie est l’étude des phénomènes atmosphériques et de leurs lois, notamment en vue de la prévision du temps.

Un mot ambigu dans cette définition est le mot ‘temps’.  Le temps dont il est question ici est en réalité le rapport de confort (impressions) que les humains ont face aux conditions extérieures des bâtiments, et ce,  dans la vie quotidienne.  On parle donc de courtes périodes de calendrier, soit une journée, une semaine, ou à la limite un mois.

Météorologie au sens le plus scientifique 
Selon l’Encyclopedia Universalis, la météorologie est la science de l’atmosphère.  Plus exactement elle étudie les processus physiques qui en déterminent l’évolution et rend compte des phénomènes essentiellement observés dans sa partie la plus basse.

Climatologie au sens le plus courant 
Le mot climat provient de la racine grecque «klima», qui veut dire inclinaison; en référence à l’inclinaison de l’axe de la Terre qui fait que le climat varie en fonction de la latitude; le climat est l’ensemble des caractéristiques de l’atmosphère d’un lieu sur une longue durée.

Climatologie au sens le plus scientifique 
Selon l’Encyclopedia Universalis, la climatologie est la science qui donne une description systématique et une explication de la répartition des climats.  On pourrait préciser que la climatologie cherche maintenant à expliquer non seulement la répartition géographique des climats, mais aussi leur évolution au fil des décennies et des siècles, surtout depuis qu’une évolution lente du climat de la planète (vers le réchauffement) est devenue évidente.

La climatologie s’intéresse à l’évolution des températures du passé qui fait l’objet d’un énorme travail de reconstitution de la part des historiens, glaciologues, sédimentologistes, etc…  À partir de la connaissance du passé et de la connaissance des lois physiques, la climatologie élabore des scénarios concernant le climat du futur sur des périodes de plusieurs dizaines, voire de centaines d’années.

Les échelles de temps sont donc très différentes entre la météorologie et la climatologie. Lorsqu’il est question de décennies ou du siècle, l’évolution de l’atmosphère est largement influencée par les océans (gelés ou pas), les surfaces continentales (couvertes de glace ou pas) et toute la biosphère.  Elle dépend aussi dans une plus faible mesure de facteurs astronomiques tels que l’évolution du rayonnement solaire ou des caractéristiques géométriques de l’orbite terrestre.

Ces interactions n’ont que peu d’influence sur des périodes de quelques jours, la météorologie ne les considère donc pas, car elles évoluent beaucoup trop lentement.  Ainsi, dans les modèles de prévision météo, l’état de l’océan est supposé constant (y compris pour sa température de surface qui gouverne directement l’échange d’énergie océan-atmosphère). Sur les continents, la plupart des variables sont aussi maintenues constantes dans un modèle de prévision (végétation, étendue des glaciers, état du sol…), à l’exception notable de la température et de l’humidité des surfaces continentales qui peuvent présenter de fortes variations diurnes, ainsi que de l’épaisseur du manteau neigeux lorsqu’il recouvre le sol.

Conclusions

La description des deux approches en sciences, faite au début de la capsule, permet de comprendre les failles dans les arguments des climatosceptiques et de mieux apprécier les efforts pour expliquer le phénomène de l’effet de serre et de ses paramètres d’influence. La marque de l’humain est maintenant indéniable dans le processus de modification du climat et seuls les humains peuvent apporter les remèdes nécessaires pour inverser la tendance.