L'effet de serre

1 Principe de l'effet de serre

Le rayonnement solaire qui a un maximum d'énergie dans la partie visible de son spectre et dont la fraction ultraviolette est largement filtrée, est partiellement absorbé par la surface du sol ou de la mer. Seule la glace le réfléchit à raison de 90%. En conséquence, un rayonnement est émis par la terre: le rayonnement tellurique. Celui-ci se produit surtout dans l'infrarouge lointain (il est maximal pour un longueur d'onde de 10 mm) et est largement absorbé par la vapeur d'eau atmosphérique. L'atmosphère va donc rayonner à son tour, notamment vers la terre. Cet effet de serre conduit à des températures clémentes à la surface du globe: tout le monde sait que les nuits d'hiver, un ciel couvert permet une certaine clémence, tandis qu'un ciel étoilé voit chuter les températures. Il existe pourtant une fenêtre atmosphérique dans l'infrarouge, de longueur d'onde comprise entre 2 et 20 mm, où la vapeur d'eau est pratiquement transparente au rayonnement tellurique: l'absorption d'un rayonnement de longueur d'onde de 2 à 20 mm par la vapeur d'eau est dont quasi nulle et la transmission totale. Le dioxyde de carbone présente cependant une bande d'absorption, située entre 10 et 20 mm, dans cette fenêtre. D'où son importance comme gaz à effet de serre. Le méthane est aussi un important gaz à effet de serre, et 26% des gaz à effet de serre sont produits par l'agriculture, dont les rizières et la fermentation gastrique des ruminants. A elles seules, les vaches produisent 3% des gaz à effet de serre: une vache laitière de 600 kg éructe 600 L de méthane par jour, contre 60 L pour un mouton.

2 Augmentation de la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone

Des mesures régulières, faites continuellement depuis 1958 à Mauna Loa (volcan du sud-ouest de l'île Hawaii, dont il est le plus important centre éruptif actif avec 4170 mètres d'altitude), montrent que la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone augmente actuellement régulièrement, avec de régulières fluctuations saisonnières dues aux actions combinées de la photosynthèse et de la respiration: de 316 ppmv (ppmv=part par million en volume) en 1959, la concentration atmosphérique en CO₂ était de 363ppmv en 1996. De semblables mesures furent effectuées au pôle sud, et les résultats ne diffèrent que par les plus faibles variations saisonnières, bien compréhensibles au vu des plus faibles activités biologiques au pôle. L'étude des bulles d'air occluses dans les glaces antarctiques montre une augmentation de la concentration de CO₂ depuis 1760, époque à laquelle cette concentration s'élevait à 280ppmv. Cette augmentation de 30% de la concentration atmosphérique en CO₂ s'est en fait déroulée au cours des 150 dernières années.

Concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone relevées à la station de Mauna Loa, Hawaii (1959&endash;1996) (Graphique original produit à partir des valeurs données par "http://www.ec.gc.ca/soer-ree/Francais/Indicators/Issues/Climate/Tech_Sup/ccsup05_f.cfm" consulté le 28/10/2006).

3 L'augmentation du CO₂ est due à l'activité humaine

Afin d'évaluer la variation relative par rapport à un échantillon standard de la concentration relative en ¹⁴C dans des échantillons de bulles gazeuses occluses à différentes époques dans la glace, on définit en ‰ le d ¹⁴C comme:

Notons qu'en soustrayant, à la valeur mesurée, la proportion de ¹⁴C d'un échantillon standard, on aura des valeurs positives ou négatives par rapport à une valeur fixe. En outre, en divisant par cette proportion dans le standard, on relativise la valeur du d¹⁴C, et en multipliant par 1000, on exprime d¹⁴C en ‰. On constate que le d¹⁴C baisse jusqu'en 1950, à cause de la combustion massive de fuel fossile (charbon, pétrole) dont le grand âge exclut tout ¹⁴C, mais qu'à partir de cette date et jusqu'aujourd'hui, le d¹⁴C croît, en conséquence des expériences thermonucléaires responsables de l'augmentation de ¹⁴C dans les gaz atmosphériques. La concentration atmosphérique en ¹⁴C a donc fortement varié à cause des activités humaines.

A côté du ¹⁴C instable (sa période de demi-vie n'est que de 5730 ans), il existe un troisième isotope du carbone: ¹³C, bien stable. Comme des plantes présentent un retard à l'assimilation du ¹³CO₂ par rapport au ¹²CO₂ , il s'ensuit que la matière organique présente un rapport ¹³C/¹²C moindre que dans le CO₂ de l'air environnant. Si l'augmentation du CO₂ atmosphérique est due à la combustion de matière organique (avec déforestation), le d¹³C du CO₂ atmosphérique doit diminuer. Les mesures de d¹³C effectuées dans l'air et dans les bulles d'air occluses dans les glaces montrent effectivement cette diminution.

L'accroissement de la concentration atmosphérique en CO₂ au cours du XXè siècle est donc bien le fait des activités humaines. Entre autres, 20% de la production d'origine humaine de CO₂ sont produits par les incendies volontaires destinés à défricher les forêts tropicales, dans un objectif de culture. Il convient de s'interroger sur les changements climatiques qui pourraient se produire.

4 Conséquences d'une augmentation de la température à la surface du globe

4.1 Généralités

L'Homme mesure et enregistre la température à la surface de la terre depuis 1860. Depuis cette époque, on a constaté une augmentation de 0,6°C en moyenne, et certains modèles prévoient une élévation de 2°C pour l'an 2060. Bel argument en faveur d'une augmentation thermique en rapport avec l'effet de serre, on constate que la température moyenne nocturne augmente davantage que la température moyenne diurne.

Graphique illustrant l'augmentation de la fréquence des "vagues de chaleur" en Belgique de 1954 à 2004 (Source Institut Royal Météorologique - Extrait de "le Soir", 24/06/2005).

En Belgique, en 20 ans -de 1987 à 2007-, la température moyenne a augmenté de 0,9°C, bien plus donc que les 0,5°C d'augmentation dans le reste du monde.

Les conséquences d'une telle augmentation sont:

• une réduction des glaciers de montagne;
• une augmentation de la surface des océans (par dilatation des eaux);
• une élévation de l'humidité dans les régions tropicales;
• une réduction des précipitations dans les subtropicales;
• une augmentation des précipitations dans les régions tempérées et polaires avec, à plus court terme, une mobilisation plus importance de masses d'eau douce sous forme de glaces polaires.

Les glaces polaires représentent une archive remarquable de notre environnement global. D'une part, on peut obtenir une excellente chronologie, permettant une datation à une année près dans les derniers 5000 ans et remontant jusqu'à plus de 400000 ans, c'est-à-dire 4 cycles glaciaires-interglaciaires. D'autre part, la composition en isotopes stables de l'oxygène ou de l'hydrogène des glaces constitue un excellent paléothermomètre et les gaz occlus dans les glaces nous donnent la composition de l'atmosphère du passé au moment de leur formation. Les archives glaciaires ont ainsi pu mettre en évidence la remarquable corrélation existant entre la température et la concentration en CO₂ sur quatre cycles climatiques: lors d'une période glaciaire, la température était de l'ordre de 10°C plus basse qu'aujourd'hui et la concentration en CO₂ 200ppmv, une valeur voisine de celle du XIXè siècle, avant la révolution industrielle. Cette remarquable corrélation ne peut se comprendre qu'en faisant intervenir l'océan et la pompe biologique. Une meilleure compréhension de ces phénomènes est indispensable pour prévoir ce qui nous attend au cours du XXI^è siècle.

Les glaces polaires interagissent avec l'atmosphère et l'océan avec lesquels elles entrent en contact. Leur développement modifie le climat et permet la formation d'eaux profondes dans l'océan qui vont soustraire du dioxyde de carbone au processus d'échange entre l'air et l'eau océanique.

Le réchauffement climatique constaté au cours de cette fin de XX^è siècle ne manquera pas, s'il se prolonge au cours du siècle suivant, d'avoir des répercussions importantes sur la stabilité des glaces polaires et sur celle du niveau marin mondial.

4.2 Refroidissement des hivers en Europe occidentale

Le Gulf Stream est un courant océanique d'eau chaude de surface traversant l'Atlantique Nord. Il se forme dans le Golfe du Mexique où les eaux sont chaudes. Il passe entre Cuba et la pointe sud de la Floride, longe la côte de Floride vers le nord, puis se dirige vers le nord-est, poussé et ralenti par un courant marin froid venant du Labrador. En se dirigeant vers l'Europe, le Gulf Stream se sépare en deux branches: l'une bifurque vers les Açores, l'autre remonte vers l'Islande. Ces deux ramifications, arrivées l'une sur les côtes du Portugal, l'autre sur celles de la Norvège, se sont refroidies et, par évaporation et, pour la seconde, arrivée du sel provenant de la formation de la banquise (faite d'eau pure à partir d'eau salée), leur salinité et donc leur densité ont augmenté, les amenant à plonger dans des couches inférieures.

Le Gulf Stream réchauffe ainsi la façade occidentale du Royaume Uni, la côte atlantique de France, le pays basque en Espagne et surtout les côtes d'Islande et de Norvège.

Le Gulf Stream n'est que l'une des causes des hivers plus cléments (15°C de plus en moyenne) en Europe occidentale qu'aux mêmes latitudes en Amérique du Nord, les courants atmosphériques atlantiques ayant une importance capitale en ce domaine. Mais si le Gulf Stream venait à modifier sa trajectoire, il pourrait causer une sévère diminution des températures hivernales en Europe occidentale. En effet, le réchauffement marqué et l'augmentation subséquente des précipitations dans les régions tempérées et polaires pourraient, par réchauffement de l'eau et dilution du sel, contrecarrer la plongée du Gulf Stream en mer de Norvège et bloquer sa branche septentrionale. Les côtes d'Europe occidentale ne seraient dès lors plus réchauffées par le Gulf Stream ni protégées des masses d'air froid d'origine polaire.

5 Lutte contre l'effet de serre

On peut envisager plusieurs solutions cumulables pour réduire la concentrations des gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

• En ce qui concerne la réduction de la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone, il faut envisager de piéger le carbone sous forme solide, plutôt que de le laisser se combiner à l'oxygène pour former le CO₂ gazeux. Plus que des "poumons verts", les forêts (entre autres les forêts tropicales et équatoriales dont la forêt amazonienne) et d'autres formations végétales importantes comme celles des algues des mers et océans, sont des pièges à carbone, dans la mesure où l'augmentation de la concentration atmosphérique de CO₂ en entraîne la surconsommation par photosynthèse. Les arbres se développent alors davantage et ont plus de feuilles et de branches qu'auparavant. Ce phénomène régulateur est parfaitement naturel. Malheureusement, l'Homme entrave cette régulation bénéfique par l'exploitation outrancière des forêts. Couper la forêt, c'est se priver d'une façon simple et naturelle de corriger nos excès. En outre, on augmente encore largement le problème car l'Homme brûle pour déboiser, ce qui accroît la concentration atmosphérique en CO₂. Enfin, si l'on sait que la forêt stocke du carbone, lorsqu'il fait très chaud (canicule), celle-ci dégage du méthane, gaz à effet de serre majeur. Les plantes ont aussi tendance à fermer leurs stomates lorsqu'il fait chaud et sec, davantage encore si la concentration de dioxyde de carbone augmente. L'effet régulateur de stockage de carbone est donc amoindri!
• Maintenir la richesse naturelle de la faune pélagique des océans, dans la mesure où les déjections animales tombant dans les profondeurs océaniques sont des puits de carbone d'une surprenante ampleur. Pour exemple, le krill (petite crevette Euphausia superba se rassemblant en bancs innombrables), effectuant une migration pélagique verticale nycthémérale, piège, dans ses déjections tombant dans les profondeurs, une quantité de carbone équivalent aux émissions de 35 millions de voitures!
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