Glossaire

effet de serre

  Curieux  

La valeur moyenne annuelle de l'éclairement émis dans l'infrarouge par la surface terrestre peut être calculée et vaut environ 390 watts par mètre carré, chiffre d'autant plus considérable que s'y ajoutent les quantités de chaleur que perd cette surface par conduction et évaporation, et qui représentent 105 W.m - 2 environ ; or, la terre ferme et l'océan ne reçoivent en moyenne du Soleil qu'un éclairement de quelque 160 W.m - 2 (dans le visible et le proche et moyen infrarouge), ainsi que le rappelle l'article de La météo de A à Z relatif au rayonnement solaire. Pareil déficit de l'énergie reçue par rapport à l'énergie dépensée devrait aboutir à un important refroidissement de la surface terrestre : si tel n'est pas le cas, c'est parce qu'il est en fait compensé par la présence dans l'atmosphère de divers constituants chimiques — à commencer par l'eau — qui à la fois absorbent une grande partie du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre et émettent beaucoup de rayonnement vers le bas dans les mêmes longueurs d'onde, assurant ainsi l'équilibre énergétique et la stabilité de température de cette même surface : c'est ce phénomène de rééquilibrage radiatif par absorption et émission atmosphériques que l'on appelle par analogie l'effet de serre.

La figure 1 résume les pertes en énergie de rayonnement et en quantité de chaleur subies par une Terre à laquelle l'échelle spatio-temporelle choisie pour les moyennes dans le temps (une année) et l'espace (l'ensemble du globe) fournit un équilibre dynamique parfait. On y observe que les constituants atmosphériques absorbent non seulement les flux de chaleur sensible — y compris la transpiration des végétaux — et de chaleur latente, mais aussi la très grande majorité des flux de rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre : effectivement, sur cet éclairement de quelque 390 W.m - 2 , seuls 30 W.m - 2 environ se perdent dans l'espace interplanétaire après que l'atmosphère les a transmis ; l'autre part du rayonnement, soit environ 360 W.m - 2 , reste "piégée" dans les couches atmosphériques où certains éléments chimiques, et en tout premier lieu l'eau, parviennent à les absorber à un niveau ou à un autre. On assiste là à la première manifestation de l'effet de serre, grâce auquel 465 W.m - 2 (environ) sont conservés dans l'atmosphère sur les 495 W.m - 2 (environ) que libère la surface terrestre par émission de chaleur et surtout de rayonnement infrarouge.

 


  Initié  

Rôle et fragilité de l'effet de serre

Le rayonnement superficiel de la Terre, tel que peut l'analyser un observateur depuis l'espace interplanétaire, correspond à une température superficielle moyenne de - 18 °C, alors que la moyenne de la température à la surface du globe, pour les habitants vivant sur cette surface, reste proche de + 15 °C. Il se trouve en effet que les instruments de mesure utilisés par l'observateur situé dans l'espace captent les rayonnements émis non seulement par l'océan, le sol et les basses couches de l'atmosphère, mais aussi par les couches plus élevées, qui sont globalement plus froides ; la différence entre les deux températures est donc essentiellement due à la présence de la troposphère, laquelle regroupe la très grande majorité de la masse atmosphérique et contient, avec l'eau et le gaz carbonique, la plupart des substances entretenant l'effet de serre : si cet effet cessait de s'exercer, le taux de décroissance du profil vertical de température troposphérique (ou gradient thermique vertical), qui est maintenu négatif grâce à la conjugaison de l'effet de serre et de la convection, tendrait à s'annuler, ce qui soumettrait la surface de la Terre à un refroidissement tel que toute vie deviendrait impossible.

Ce n'est donc pas l'effet de serre qui est nuisible au maintien de l'activité biologique : bien au contraire, il en est une condition sine qua non . Cependant, l'équilibre énergétique sur lequel il se fonde n'est pas sans fragilité, et sa modification — déjà avérée à plusieurs reprises dans le passé géologique de notre planète — peut induire une évolution progressive du climat mondial, se traduisant inexorablement par des répartitions nouvelles des manifestations du temps sensible et des phénomènes météorologiques qui s'y rattachent. Or, parmi les facteurs susceptibles de déclencher une telle évolution figure l'augmentation de la teneur de l'atmosphère en gaz participant à l'effet de serre, telle que mesurée par leur composition volumétrique : dans de telles conditions, il est plausible que l'énergie du rayonnement infrarouge absorbé par ces gaz puis réémis vers la surface terrestre augmente au point de déclencher une élévation modérée mais persistante de la moyenne de température dans les basses couches de la troposphère.


L'effet de serre au futur

Le constat actuel d'une croissance continue de la température atmosphérique moyenne, qui a été indubitablement prouvé par les mesures d'observation météorologique, soulève deux questions complémentaires : premièrement, dans quelle mesure cette croissance est-elle le fruit d'une évolution naturelle du climat, et dans quelle mesure provient-elle au contraire de l'augmentation de la teneur en gaz à effet de serre — notamment le gaz carbonique — à la suite de l'activité humaine ? et deuxièmement, dans quelle mesure ce réchauffement peut-il entraîner des modifications des différents climats, et de quelle nature seront ces modifications ? Les réponses à ces questions sont des plus délicates à fournir : en fait, l'évolution du système climatique résulte d'effets qui s'atténuent ou s'amplifient mutuellement en fonction de diverses actions en retour négatives ou positives, et parfois une variation modeste de l'un de ces effets suffit à y déclencher des transformations considérables ; en outre, les données climatologiques ne sont pas encore assez denses dans l'espace atmosphérique, ni assez étalées dans la durée, ni assez précises en qualité, pour que nous saisissions comme il convient la part qui, dans cette évolution, revient aux réactions en provenance de trois facteurs essentiels : les nuages, la cryosphère et surtout l'océan. En tout état de cause, cependant, on se doit de reconnaître la validité d'hypothèses relevant de scénarios pessimistes, qui impliquent à terme non seulement une élévation du niveau moyen de la mer, mais aussi des changements profonds dans les régimes climatiques de certaines zones géographiques et de certains phénomènes météorologiques ainsi que des évolutions trop rapides, donc néfastes, des écosystèmes correspondants.

De ce fait, la communauté scientifique agrée dans sa grande majorité l'idée de la nécessité d'une intervention des pouvoirs politiques afin de maîtriser les risques consécutifs à une intensification de l'effet de serre. Toutefois, les enjeux économiques d'une part, les incertitudes persistantes d'autre part, rendent difficile à cet égard le passage à des prises de décision applicables à l'échelle mondiale. Un moyen efficace pour affermir ce passage consisterait sans doute à établir publiquement et nettement les distinctions que les vecteurs de l'information doivent respecter entre les faits établis, les hypothèses plausibles et les simples supputations quant à l'évolution de l'effet de serre et à ses conséquences.


  Expert  

Les nuages et l'effet de serre 

Grâce à ses capacités d'absorption et de réémission de l' infrarouge dans de larges créneaux de longueurs d'onde (principalement de 5,5 à 7 µm et de 20 à 100 µm) qui participent fortement au rayonnement électromagnétique émis par la surface terrestre, l'eau atmosphérique est de loin le premier agent de l'effet de serre. C'est par là que s'explique la propriété bien connue que possèdent les nuages de réduire les variations diurnes de température : par ciel clair en effet, le bilan radiatif en surface croît rapidement après le lever du soleil, reste nettement positif pendant le jour, puis décroît rapidement vers le soir et devient modérément négatif tout au long de la nuit sous l'effet du rayonnement terrestre ; mais par ciel nuageux, l'effet de serre s'amplifie, la croissance matinale du bilan radiatif et sa décroissance vespérale se font plus lentes, et ce bilan lui-même est moins positif le jour, moins négatif la nuit, d'autant que la base des nuages émet à son tour dans l'infrarouge vers la surface terrestre. Ainsi les nuages ont-ils la faculté de modérer les différences de température entre le jour et la nuit, tandis qu'à l'inverse, on assiste à des chutes spectaculaires de température après le coucher du soleil dans les régions désertiques, où l' atmosphère est très pauvre en vapeur d'eau. 

L'influence de la nébulosité sur la température de la basse atmosphère est toutefois complexe : d'un côté, les nuages contribuent à l'effet de serre et donc au réchauffement de la surface terrestre, mais de l'autre ils favorisent son refroidissement par l'effet albédo qu'ils entretiennent en réfléchissant vers l'espace une part importante du rayonnement solaire. Il existe à cet égard toute une gamme de comportements suivant les genres de nuages : ainsi, les stratus tendent à refroidir la surface terrestre, car ils réfléchissent beaucoup le rayonnement solaire et émettent vers le haut de grandes quantités d' infrarouge thermique, tandis que les cirrus, qui réagissent de façon exactement opposée, inclinent au réchauffement de cette surface. Cet exemple témoigne de la probabilité d'actions en retour contradictoires de la part des nuages en cas de réchauffement de la troposphère : une température plus élevée entraînerait davantage d' humidité atmosphérique, donc davantage de nébulosité, d'où peut-être une baisse de température ; on voit ainsi qu'il n'est pas si simple qu'il y paraît de conclure à une élévation uniforme de la température en cas d'amplification de l'effet de serre.  

Effet de serre et profil vertical de température 

Ainsi qu'il est précisé dans l'article de La météo de A à Z relatif à la pression atmosphérique (cf. résumé sur la relation entre profils verticaux de pression et de température), ce ne sont pas les facteurs mécaniques qui déterminent en premier les profils thermiques verticaux des différentes couches de l'atmosphère : ces facteurs agissent secondairement par rapport aux facteurs radiatifs, qui établissent le dessin général des variations verticales de la température à partir des sources et des puits de chaleur que recèle chaque couche. De ce point de vue, la troposphère se distingue radicalement de la moyenne atmosphère et de la haute atmosphère par une faible influence des réactions photochimiques et par la présence d'une forte teneur en vapeur d'eau : ces deux éléments réunis expliquent que la répartition verticale du bilan des émissions et absorptions liées à l'effet de serre soit, bien plus que les autres sources et puits de chaleur troposphériques, la raison essentielle du profil vertical de température dans la basse atmosphère. Effectivement, plus l'on s'y élève et moins la masse d'eau émettant du rayonnement infrarouge vers le bas est importante, d'où une perte croissante en énergie de rayonnement que ne compensent ni l'énergie rayonnée par une surface terrestre de plus en plus distante, ni le rayonnement solaire incident auquel l'atmosphère reste largement transparente ; le bilan radiatif, devenant ainsi de plus en plus négatif avec l'altitude, entraîne une décroissance verticale de la température, que renforce une action en retour de l'humidité (l'effet de serre, maximal près de la surface terrestre, s'atténue quand croît l'altitude, et la décroissance consécutive de la température entraîne une diminution de la quantité maximale de vapeur d'eau admissible dans l'air, laquelle atténue à son tour l'effet de serre). 

Des modèles numériques s'appuyant uniquement sur de tels facteurs radiatifs ont été utilisés pour reconstituer par la théorie le profil moyen de la répartition verticale de température de la troposphère réelle. Ces modèles ont révélé plusieurs défauts, principalement : une discontinuité entre les températures des basses couches de l'atmosphère et la température de la surface terrestre, cette dernière étant bien trop élevée (de l'ordre de 60 °C) ; un gradient trop rapide en ce qui concerne la variation verticale de la température, variation qui eût produit en fait une instabilité forte et permanente de la troposphère ; enfin, une tropopause trop basse, décalée de 3 km de hauteur en moyenne par rapport à la moyenne réelle. 

L'explication de ces défauts réside dans une absence de prise en compte du rôle joué par la convection atmosphérique. Celle-ci transmet l'échauffement de la surface terrestre grâce aux flux de chaleur sensible et de chaleur latente qu'elle intègre à la dynamique atmosphérique ; elle brasse les masses d'air instables et modifie ainsi leur profil vertical de température de façon à ce qu'il n'excède plus celui de l'équilibre adiabatique ou (en cas de saturation) pseudoadiabatique ; elle génère enfin des courants ascendants d'une puissance suffisante pour soulever la tropopause à un niveau supérieur à celui où la maintiendrait le seul équilibre radiatif (cet effet est particulièrement marqué dans les régions tropicales, là où la convection est la plus puissante) : la tropopause apparaît ainsi comme la limite des couches atmosphériques où, premièrement, l'effet de serre joue fortement, et deuxièmement, la convection tempère fortement son influence. En résumé, l'on constate que le profil thermique vertical de la troposphère a pour support essentiel l'action conjuguée de l'effet de serre et de la convection, qui apparaît ici comme un facteur de rééquilibrage vertical de l'atmosphère.