Qu’est-ce que l’effet de serre ?

Pour expliquer l’effet de serre, il faut d’abord parler du rayonnement. L’œil humain n’est sensible qu’aux rayonnements électromagnétiques de longueur d’onde comprise entre 0,4 et 0,7 microns environ, ce qui constitue précisément la lumière visible au maximum d’intensité du rayonnement solaire. Le spectre d’émission du Soleil est lié à la température qui règne à sa surface, proche de 5 900 K. Tous les corps rayonnent mais la composition du rayonnement émis change en fonction de la température. Un objet chauffé ne commence à émettre un rayonnement visible qu’au-dessus d’une certaine température. La couleur de la lumière émise passe du rouge au jaune à mesure que la température de l’objet s’élève. À l’inverse, quand l’objet se refroidit, l’émission lumineuse cesse mais le rayonnement persiste dans l’infrarouge, invisible pour nos yeux. La longueur d’onde principale de ce rayonnement est d’autant plus élevée que la température de l’objet est basse.

Parlons maintenant de serre. Une serre de jardin possède des vitrages qui, comme l’atmosphère, laissent passer la lumière visible. Cependant, ces vitrages empêchent la sortie du rayonnement infrarouge émis de l’intérieur de la serre et de l’air chaud contenu dans la serre. Les vitrages capturent ainsi une partie de l’énergie solaire absorbée. La température de la serre s’élève jusqu’à l’équilibre entre le rayonnement solaire entrant et le rayonnement infrarouge, invisible, émis par le vitrage lui-même vers l’extérieur. C’est aussi ce qui se produit dans une voiture exposée au soleil, vitres fermées. En plein air, chacun peut ressentir l’effet de serre atmosphérique en comparant la douceur des nuits nuageuses (les nuages renvoient le rayonnement infrarouge vers le sol) à la fraîcheur des nuits claires (le rayonnement infrarouge s’échappe vers l’espace). Ce refroidissement radiatif nocturne est particulièrement efficace dans les déserts en comparaison de nos latitudes. Cette dernière remarque nous suggère que tous les gaz présents dans l’atmosphère ne participent pas à l’effet de serre de manière égale.

L’atmosphère terrestre est pratiquement transparente pour le rayonnement solaire qui arrive au sol. La surface terrestre et les nuages renvoient une partie de ce rayonnement (environ 30 %) vers l’espace ; le reste est absorbé et réchauffe le sol et les océans. Le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre est en partie absorbé par l’atmosphère et cette dernière envoie du rayonnement infrarouge vers le sol. Cette absorption et cette émission de rayonnement infrarouge sont la cause de l’effet de serre atmosphérique. Cet effet de serre varie en fonction de la composition de l’atmosphère car seule une faible partie des gaz présents dans l’air sont capables d’absorber et d’émettre du rayonnement infrarouge.

L’atmosphère est formée à 99 % d’azote (N₂) et d’oxygène (O₂). Ces molécules diatomiques n’absorbent pas le rayonnement infrarouge. Les « gaz à effet de serre », dotés de trois atomes ou plus, absorbent l’infrarouge. Ils comprennent : la vapeur d’eau (H₂O), le gaz carbonique ou dioxyde de carbone (CO₂), l’ozone (O₃), le méthane (CH₄) et quelques autres gaz (oxydes d’azote, CFC, etc.). Les gaz à effet de serre sont présents en quantité infime : au total, ils représentent moins de 1 % des gaz dans l’atmosphère terrestre.

La vapeur d’eau fournit la plus grande contribution à l’effet de serre. Le contenu en eau de l’atmosphère est dicté par des processus atmosphériques complexes (évaporation, transport, nuage et précipitation) et par la température moyenne de l’atmosphère. Or cette température moyenne va croître si l’on augmente les gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone ou le méthane. C’est ce que l’on appelle un effet de rétroaction positive de la vapeur d’eau sur l’effet de serre (+ CO₂ → + effet de serre → + chaleur → + vapeur d’eau → + effet de serre). L’augmentation du CO₂ perturbe donc l’équilibre radiatif de la Terre et entraîne une augmentation de la température renforcée par la rétroaction positive de la vapeur d’eau. Il existe aussi des rétroactions négatives, dues en particulier à l’effet « parasol » de certains nuages.

En résumé, l’activité de l’homme ne « crée » pas l’effet de serre qui existe déjà naturellement, mais elle l’augmente en concentrant plus de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Le CO₂ a un temps de résidence très long dans l’atmosphère, de l’ordre de deux cents ans. Le CO₂ rejeté par les activités humaines va donc exercer un effet durable sur le climat.