Qu’est-ce que l’effet de serre ?

L’effet de serre peut être défini comme le « piégeage » par les basses couches de l’atmosphère du rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre. Ce piégeage est dû aux composés présents dans l’atmosphère, qui absorbent le rayonnement infrarouge : vapeur d’eau (H₂O) et nuages, dioxyde de carbone (CO₂), méthane (CH₄), oxyde nitreux (N₂O), ozone (O₃) et gaz chlorofluoro-carbonés (CFCs). En dehors de l’eau liquide et de la glace des nuages, les autres composés sont tous appelés « gaz à effet de serre ». Pour une atmosphère actuelle sans nuages, la contribution des différents gaz à l’effet de serre est représentée ci-dessous :

D’où provient le rayonnement infrarouge ? Pourquoi ces composés absorbent-ils le rayonnement infrarouge ? Est-ce qu’une augmentation de la concentration des gaz à effet de serre entraîne de façon évidente une augmentation de l’effet de serre ? Comment rendre compte simplement des mécanismes à l’œuvre ?

La surface terrestre reçoit son énergie du Soleil dont la température de surface est d’environ 5900 K. La loi de Planck nous indique que tout corps à une température T perd de l’énergie en émettant un rayonnement dont le spectre est centré sur une longueur d’onde d’autant plus petite que la température d’émission est grande. Le spectre d’émission du Soleil est centré sur la couleur jaune et il couvre une gamme de longueur d’onde de 0,3 à 4 μm. L’atmosphère terrestre est peu absorbante (~20 %) à ces longueurs d’onde. Environ 50 % du rayonnement incident en haut de l’atmosphère arrive en surface et il est absorbé par les océans et les surfaces continentales. Le reste est réfléchi par l’atmosphère, les océans et les terres émergées (~30 %). Avec une température moyenne observée de 288 K en surface (15° C), la Terre émet du rayonnement infrarouge, entre 4 et 40 µm principalement. Si on néglige les autres formes d’énergie que l’énergie radiative, la température d’équilibre de la surface résulte de l’égalité entre la puissance gagnée, par absorption du rayonnement solaire, et celle perdue par émission de rayonnement.

Les gaz à effet de serre ont la capacité d’absorber les photons du rayonnement infrarouge émis par les surfaces (et par l’atmosphère elle-même), grâce à des transitions énergétiques discrètes des molécules concernées. Le spectre d’absorption de l’atmosphère en fonction de la longueur d’onde λ (figure ci-dessous) révèle des domaines où l’absorption est presque totale (A≈1, tout le rayonnement émis est absorbé), à cause de la vapeur d’eau (l~5-8 μm, l >16 μm) ou du CO2 (l~4-5 μm, l~12-15 μm), et une zone relativement transparente au rayonnement infrarouge appelée « fenêtre atmosphérique » (l~8-12 μm). Dans les domaines de longueur d’onde où l’absorption est totale, tout le rayonnement émis par la surface est absorbé avant de pouvoir s’échapper vers l’espace. On dit que l’absorption est « saturée ».

Que se passe-t-il si on augmente les concentrations d’un gaz à effet de serre ? Si le gaz absorbe dans une zone spectrale non saturée, l’augmentation de sa concentration entraîne une augmentation de l’absorptivité, et donc de la température de l’atmosphère qui rayonne alors plus d’énergie, notamment vers la surface. Il en résulte une augmentation de la température d’équilibre en surface comme dans le cas simple d’une vitre au-dessus d’une surface. Cette explication simple est valide, par exemple, pour l’ozone, dans la fenêtre atmosphérique, et pour certains CFCs. Mais qu’en est-il pour les deux principaux gaz à effet de serre, la vapeur d’eau et le CO₂, pour lesquels l’absorption est saturée dans certaines régions spectrales ? L’augmentation de la concentration en vapeur d’eau augmente significativement l’absorptivité de l’atmosphère en « comblant » progressivement la fenêtre atmosphérique. En revanche, on montre qu’un doublement de CO₂ par rapport à la concentration actuelle ne modifie que très peu l’absorptivité de l’atmosphère. On peut alors légitimement se demander : pourquoi une augmentation du CO₂ augmenterait-elle l’effet de serre puisqu’elle ne modifie pas l’absorptivité de l’atmosphère ?

Pour répondre à cette question il faut considérer que l’atmosphère n’est pas une seule couche homogène mais un ensemble de couches superposées sur la verticale. Il faut également introduire deux notions importantes : l’altitude d’émission et les variations de la température de l’atmosphère avec l’altitude (gradient thermique vertical).

Hors fenêtre atmosphérique, le rayonnement émis par la surface de la Terre est totalement absorbé par les basses couches de l’atmosphère. D’après la loi de Planck, ces dernières émettent alors leur propre rayonnement dans toutes les directions, vers la surface et vers l’espace, et ainsi de suite, de proche en proche, en montant en altitude.

À une certaine altitude dépendante de la longueur d’onde, la quantité de gaz absorbant, située au dessus de la couche émettrice considérée, devient suffisamment faible pour que le rayonnement qu’elle émet puisse s’échapper vers l’espace. On appelle « altitude d’émission » l’altitude moyenne à laquelle le rayonnement qui atteint l’espace a été émis. L’altitude d’émission est de l’ordre de 3 à 8 km pour les domaines spectraux où la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone absorbent. Quand on augmente la quantité de gaz à effet de serre, l’épaisseur des couches totalement absorbantes augmente, ce qui augmente l’altitude d’émission. Que se passe-t-il alors pour la température de l’altitude d’émission ?

La basse atmosphère étant peu absorbante pour le rayonnement solaire et fortement absorbante pour le rayonnement infrarouge, on peut la considérer comme un système chauffé par le bas, et donc intrinsèquement instable. Elle est animée en permanence de mouvements convectifs ascendants, phénomènes plus rapides et qui dominent la conduction thermique. Comme la pression diminue avec l’altitude, une masse d’air ascendante se dilate et se refroidit. En moyenne, la diminution observée de la température avec l’altitude, appelé « gradient thermique vertical », est de -10°/km, pour l’air sec, et de -6 à -8°/km pour l’air humide. Notez que ce gradient dépend très peu des échanges radiatifs vus précédemment, et on le supposera constant.

Considérons maintenant une couche d’air à l’altitude d’émission Z₁ et à la température T₁ (panneau a de la figure ci-dessous). L’augmentation de l’altitude d’émission  (Z₂>Z₁) provoque une diminution de la température d’émission (T₂<T₁). Le flux d’énergie rayonné à cette altitude ne compense plus le flux solaire absorbé (panneau b). En conséquence, l’atmosphère tend à se réchauffer à cette altitude. La température à la nouvelle altitude d’émission Z₂ s’équilibre à T₁. Mais comme le gradient thermique est imposé par les mouvements de convection, c’est l’ensemble de la colonne atmosphérique qui se réchauffe de proche en proche. Au niveau du sol, la température augmente également (panneau c). La température des basses couches augmentant, la quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère augmente aussi, ce qui induit une augmentation corrélative de l’effet de serre (rétroaction positive).

Au total, même si l’atmosphère absorbe tout le rayonnement émis par la surface terrestre, on voit que l’effet de serre augmente bien, si la concentration en gaz à effet de serre augmente, le tout ayant pour conséquence un réchauffement de la basse atmosphère.

Le modèle présenté ici comporte un certain nombre de simplifications : pas de prise en compte de la stratosphère où le gradient thermique est positif à cause de l’absorption du rayonnement solaire par l’oxygène et surtout par l’ozone (on montre que la stratosphère se refroidit lorsque le CO₂ augmente), pas de traitement du recouvrement des spectres de H₂O et CO₂, prise en compte d’une seule altitude d’émission, pas de prise en compte des échanges de chaleur dus à l’évaporation-condensation de la vapeur d’eau (flux de chaleur latente), etc. Un tel modèle simplifié diffère du calcul complet de l’effet de serre réalisé par les spécialistes de la question qui s’appuient sur des données moléculaires et sur une représentation tri-dimensionnelle du transfert radiatif dans l’atmosphère. Le calcul du bilan radiatif de la Terre en réponse à une modification de la concentration en dioxyde de carbone repose sur des bases physiques solides et ne comporte plus de difficulté fondamentale. À titre d’exemple, le calcul complet donne une augmentation de l’effet de serre de 3,7 W/m² pour un doublement de CO₂. L’utilisation de modèles simplifiés est tout de même importante car elle permet de comprendre les mécanismes à l’œuvre.

Au total, même si l’atmosphère absorbe tout le rayonnement émis par la surface terrestre, on voit que l’effet de serre augmente bien, si la concentration en gaz à effet de serre augmente, le tout ayant pour conséquence un réchauffement de la basse atmosphère.

Le modèle présenté ici comporte un certain nombre de simplifications : pas de prise en compte de la stratosphère où le gradient thermique est positif à cause de l’absorption du rayonnement solaire par l’oxygène et surtout par l’ozone (on montre que la stratosphère se refroidit lorsque le CO₂ augmente), pas de traitement du recouvrement des spectres de H₂O et CO₂, prise en compte d’une seule altitude d’émission, pas de prise en compte des échanges de chaleur dus à l’évaporation-condensation de la vapeur d’eau (flux de chaleur latente), etc. Un tel modèle simplifié diffère du calcul complet de l’effet de serre réalisé par les spécialistes de la question qui s’appuient sur des données moléculaires et sur une représentation tri-dimensionnelle du transfert radiatif dans l’atmosphère. Le calcul du bilan radiatif de la Terre en réponse à une modification de la concentration en dioxyde de carbone repose sur des bases physiques solides et ne comporte plus de difficulté fondamentale. À titre d’exemple, le calcul complet donne une augmentation de l’effet de serre de 3,7 W/m² pour un doublement de CO₂. L’utilisation de modèles simplifiés est tout de même importante car elle permet de comprendre les mécanismes à l’œuvre.