Gaz à effet de serre : causes, sources et effets environnementaux
Derrière les phénomènes de réchauffement climatique et de changement climatique se cache l’augmentation des gaz à effet de serre dans notre atmosphère. Un gaz à effet de serre est tout composé gazeux dans l’atmosphère qui est capable d’absorber le rayonnement infrarouge, piégeant et retenant ainsi la chaleur dans l’atmosphère. En augmentant la chaleur dans l’atmosphère, les gaz à effet de serre sont responsables de l’effet de serre, qui conduit finalement au réchauffement climatique. (Les effets du réchauffement climatique peuvent être observés dans le monde entier.)
Rayonnement solaire et « effet de serre »
Le réchauffement climatique n’est pas un concept scientifique récent. Les bases du phénomène ont été élaborées il y a plus d’un siècle par le physicien et chimiste suédois Svante Arrhenius, en 1896. Son article, publié dans le Philosophical Magazine et le Journal of Science, a été le premier à quantifier la contribution du dioxyde de carbone à ce que les scientifiques appelons maintenant « l’effet de serre ».
L’effet de serre se produit parce que le soleil bombarde la Terre avec d’énormes quantités de rayonnement qui frappent l’atmosphère terrestre sous forme de lumière visible, plus ultraviolet (UV), infrarouge (IR) et d’autres types de rayonnement invisibles à l’œil humain. Le rayonnement UV a une longueur d’onde plus courte et un niveau d’énergie plus élevé que la lumière visible, tandis que le rayonnement IR a une longueur d’onde plus longue et un niveau d’énergie plus faible. Environ 30 % du rayonnement qui frappe la Terre est réfléchi vers l’espace par les nuages, la glace et d’autres surfaces réfléchissantes. Les 70% restants sont absorbés par les océans, la terre et l’atmosphère, selon l’Observatoire de la Terre de la NASA.
En se réchauffant, les océans, les terres et l’atmosphère libèrent de la chaleur sous forme de rayonnement thermique IR, qui sort de l’atmosphère et se dirige vers l’espace. C’est cet équilibre de rayonnement entrant et sortant qui rend la Terre habitable, avec une température moyenne d’environ 59 degrés Fahrenheit (15 degrés Celsius), selon la NASA. Sans cet équilibre atmosphérique, la Terre serait aussi froide et sans vie que sa lune, ou aussi brûlante que Vénus. La lune, qui n’a presque pas d’atmosphère, est à environ moins 243 F (moins 153 C) sur sa face sombre. Vénus, en revanche, possède une atmosphère très dense qui piège le rayonnement solaire ; la température moyenne sur Vénus est d’environ 864 F (462 C).
L’échange de rayonnement entrant et sortant qui réchauffe la Terre est souvent appelé effet de serre car une serre agricole fonctionne à peu près de la même manière. Le rayonnement UV à ondes courtes entrant traverse facilement les parois de verre d’une serre et est absorbé par les plantes et les surfaces dures à l’intérieur. Cependant, le rayonnement IR plus faible à ondes longues a du mal à traverser les parois de verre et est ainsi piégé à l’intérieur, réchauffant la serre.
Comment les gaz à effet de serre provoquent le réchauffement climatique
Les gaz de l’atmosphère qui absorbent le rayonnement sont appelés « gaz à effet de serre » (en abrégé GES) car ils sont en grande partie responsables de l’effet de serre. L’effet de serre, quant à lui, est l’une des principales causes du réchauffement climatique. Selon l’Environmental Protection Agency (EPA), les gaz à effet de serre les plus importants sont : la vapeur d’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et l’oxyde nitreux (N2O).
« Alors que l’oxygène (O2) est le deuxième gaz le plus abondant dans notre atmosphère, l’O2 n’absorbe pas le rayonnement infrarouge thermique », a déclaré Michael Daley, professeur agrégé de sciences de l’environnement au Lasell College dans le Massachusetts, à Live Science.
Le réchauffement climatique et les gaz à effet de serre qui le provoquent se produisent naturellement – sans eux, la température moyenne à la surface de la Terre serait de zéro degré F (moins 18 C). Mais la quantité de gaz à effet de serre dans l’atmosphère a grimpé en flèche à des niveaux préjudiciables au cours de l’histoire récente.
Au cours de la période de 20 000 ans avant la révolution industrielle, le CO2 atmosphérique a fluctué entre environ 180 parties par million (ppm) pendant les périodes glaciaires et 280 ppm pendant les périodes chaudes interglaciaires. Cependant, depuis le début de la révolution industrielle dans les années 1750, la quantité de CO2 a augmenté de près de 50 %, selon le portail Global Climate Change de la NASA. Aujourd’hui, les niveaux de CO2 s’élèvent à plus de 410 ppm.
Les gaz fluorés – des gaz auxquels l’élément fluor a été ajouté – sont créés lors de processus industriels et sont également considérés comme des gaz à effet de serre. Ceux-ci comprennent les hydrofluorocarbures, les perfluorocarbures et l’hexafluorure de soufre. Bien qu’ils soient présents dans l’atmosphère en très petites concentrations, ils piègent très efficacement la chaleur, ce qui en fait des gaz à « potentiel de réchauffement global » (PRG) élevé.
Les chlorofluorocarbures (CFC), autrefois utilisés comme réfrigérants et propulseurs d’aérosols jusqu’à leur élimination par un accord international, sont également des gaz à effet de serre.
Trois facteurs affectent le degré d’influence d’un gaz à effet de serre sur le réchauffement climatique : son abondance dans l’atmosphère, la durée de son séjour dans l’atmosphère et son GWP. Par exemple, la vapeur d’eau est le gaz à effet de serre le plus abondant, mais le dioxyde de carbone a un impact plus important sur le réchauffement climatique en raison de son abondance dans l’atmosphère et de sa durée de vie atmosphérique relativement longue de 300 à 1 000 ans, selon la NASA. La vapeur d’eau, en revanche, a une durée de vie dans l’atmosphère ne dépassant pas 10 jours, selon une étude de 2020 publiée dans le Journal of the Atmospheric Sciences.
Selon la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques (CCNUCC), le méthane est environ 21 fois plus efficace pour absorber le rayonnement que le CO2, ce qui lui confère un PRG plus élevé, même s’il ne reste dans l’atmosphère que 12 ans environ. Bien que le méthane et d’autres GES soient capables de piéger plus de chaleur que le CO2, les scientifiques considèrent toujours le dioxyde de carbone comme le gaz à effet de serre dominant car son effet de réchauffement survit aux effets des autres pendant des siècles.
Sources de gaz à effet de serre
Certains gaz à effet de serre, comme le méthane, sont produits par les pratiques agricoles, sous forme de fumier de bétail, par exemple. D’autres, comme le CO2, résultent en grande partie de processus naturels comme la respiration et de la combustion de combustibles fossiles comme le charbon, le pétrole et le gaz.
Une autre source primaire de CO2 est la déforestation. Lorsque les arbres sont abattus pour produire des biens ou de la chaleur, ils libèrent le carbone qui est normalement stocké pour la photosynthèse. Ce processus libère jusqu’à 4,8 milliards de tonnes métriques de carbone dans l’atmosphère chaque année, selon le World Resources Institute.
La foresterie et d’autres pratiques d’utilisation des terres peuvent compenser certaines de ces émissions de gaz à effet de serre. « La replantation aide à réduire l’accumulation de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, car les arbres en croissance séquestrent le dioxyde de carbone par photosynthèse », a déclaré Daley à Live Science. « Cependant, les forêts ne peuvent pas séquestrer tout le dioxyde de carbone que nous émettons dans l’atmosphère par la combustion de combustibles fossiles, et une réduction des émissions de combustibles fossiles est toujours nécessaire pour éviter l’accumulation dans l’atmosphère. »
Dans le monde entier, la production de gaz à effet de serre est une source de grave préoccupation. Selon Climate.gov de la NOAA, au cours des 60 dernières années, le CO2 atmosphérique a augmenté à un rythme annuel 100 fois plus rapide que les augmentations naturelles précédentes. La dernière fois que les quantités mondiales de CO2 dans l’atmosphère ont été aussi élevées, c’était il y a 3 millions d’années, lorsque les températures étaient jusqu’à 5,4 degrés F (3 degrés C) supérieures à celles de l’ère préindustrielle. En raison du réchauffement climatique moderne induit par le CO2, 2016 a été l’année la plus chaude jamais enregistrée, 2019 et 2020 étant respectivement les deuxièmes les plus chaudes. En fait, les six années les plus chaudes jamais enregistrées se sont toutes produites depuis 2015, selon l’Organisation météorologique mondiale.
« Le réchauffement que nous observons affecte la circulation atmosphérique, ce qui a un impact sur les régimes de précipitations à l’échelle mondiale », a déclaré Josef Werne, professeur agrégé au Département de géologie et de sciences planétaires de l’Université de Pittsburgh. « Cela entraînera de grands changements environnementaux et des défis pour les gens du monde entier. »
L’avenir de notre planète
Si les tendances actuelles se poursuivent, les scientifiques, les responsables gouvernementaux et un nombre croissant de citoyens craignent que les pires effets du réchauffement climatique – conditions météorologiques extrêmes, élévation du niveau de la mer, extinctions de plantes et d’animaux, acidification des océans, changements climatiques majeurs et bouleversements sociaux sans précédent – soient inévitable.
Dans un effort pour lutter contre le réchauffement climatique induit par les GES, le gouvernement américain a créé un plan d’action climatique en 2013. Et en avril 2016, des représentants de 73 pays ont signé l’Accord de Paris, un pacte international pour lutter contre le changement climatique en investissant dans un environnement durable, à faible -l’avenir du carbone, selon la CCNUCC. Bien que les États-Unis se soient retirés de l’Accord de Paris en 2017, ils l’ont réintégré fin janvier 2021. L’administration du président Biden s’est également fixé pour objectif de réduire les émissions américaines de 50 à 52 % par rapport aux niveaux de 2005 d’ici 2030. (Les émissions sont régulièrement comparées à ceux de 2005 – l’année où les émissions américaines de CO2 ont culminé à près de 6 milliards de tonnes.)
En 2020, les émissions mondiales de dioxyde de carbone ont chuté de 6,4 % (13 % aux États-Unis seulement) – la première fois depuis des décennies que le taux annuel n’a pas augmenté, a rapporté Nature (ouvre dans un nouvel onglet). Cela était en partie dû à la diminution de la combustion de combustibles fossiles résultant du passage au gaz naturel à partir du charbon, mais en grande partie à cause de l’arrêt forcé des activités économiques, sociales et de transport en réponse à la pandémie de COVID-19. Les scientifiques s’attendaient à ce que la baisse annuelle des émissions soit en fait plus importante qu’elle ne l’était, mais les émissions ont rebondi à mesure que les restrictions ont été levées dans certains pays et que les activités ont repris vers la fin de 2020.
Afin de limiter le réchauffement climatique à l’objectif de 2,7 degrés F (1,5 degrés C) fixé par l’Accord de Paris, le monde doit encore réduire ses émissions de CO2 de 7,6 % pour la prochaine décennie, selon le Programme des Nations Unies pour l’environnement.
Les chercheurs du monde entier continuent de travailler pour trouver des moyens de réduire les émissions de gaz à effet de serre et d’atténuer leurs effets. Une solution potentielle que les scientifiques étudient consiste à aspirer une partie du dioxyde de carbone de l’atmosphère et à l’enfouir sous terre indéfiniment. Les partisans soutiennent que la capture et le stockage du carbone sont technologiquement réalisables, mais les forces du marché ont empêché une adoption généralisée.
Qu’il soit possible ou non d’éliminer le carbone déjà émis de l’atmosphère, la prévention du réchauffement futur nécessite l’arrêt des émissions de gaz à effet de serre. L’effort le plus ambitieux pour prévenir le réchauffement à ce jour est l’Accord de Paris de 2016. Ce traité international non contraignant vise à maintenir le réchauffement « bien en dessous de 2 degrés Celsius au-dessus des niveaux préindustriels et à poursuivre les efforts pour limiter encore plus l’augmentation de la température à 1,5 degré Celsius », selon les Nations Unies. Chaque signataire du traité a accepté de fixer ses propres limites volontaires d’émissions de gaz à effet de serre et de les rendre plus strictes au fil du temps. Les climatologues ont déclaré que les limites d’émissions engagées dans le cadre de l’accord ne maintiendraient pas le réchauffement aussi bas que 1,5 ou même 2 degrés Celsius, mais que ce serait une amélioration par rapport au scénario « business-as-usual ».