Gaz à effet de serre

Les gaz à effet de serre (GES) sont des gaz qui contribuent par leurs propriétés physiques à l'effet de serre. L'augmentation de leur concentration dans l'atmosphère terrestre est à l'origine du réchauffement climatique.

Les principaux gaz à effet de serre non-artificiels sont :

• la vapeur d'eau (H₂O),
• le dioxyde de carbone (CO₂),
• le méthane (CH₄),
• le protoxyde d'azote (N₂O) et
• l'ozone (O₃).

Les gaz à effet de serre industriels incluent des gaz fluorés comme :

• les chlorofluorocarbures (CFC) et HCFC-22 comme le fréon,
• le perfluorométhane (CF₄)
• l'hexafluorure de soufre (SF₆).

La vapeur d'eau est à l'origine de 55% de l'effet de serre.
Le gaz carbonique additionnel libéré par les activités humaines est responsable de 55% de l'accroissement de l'effet de serre^[1].

Le mécanisme de l'effet de serre

Sous l'effet des GES, l'atmosphère terrestre se comporte comme la vitre d'une serre, laissant entrer une large part du rayonnement solaire, mais retenant le rayonnement infrarouge réémis.

La transparence de l'atmosphère (dans le visible) permet au rayonnement solaire d'atteindre le sol. L'énergie ainsi apportée s'y transforme en chaleur. Comme tout corps chaud, la surface de la Terre rayonne sa chaleur vers les corps plus froids qui l'environnent. Mais les GES et les nuages sont opaques aux rayons infrarouges émis par la terre. En absorbant ces rayonnements, ils emprisonnent l'énergie thermique près de la surface du globe, où elle réchauffe l'atmosphère basse. Les nuages qui sont des particules de glace (ou d'eau liquide) réfléchissent le rayonnement solaire vers l'espace et le rayonnement terrestre vers elle sans changer leur longueur d'onde^{[réf.  nécessaire]}. Les nuages ont un effet sur le climat mal connu au début du 21 ^e siècle car ils atténuent le rayonnement infrarouge reçue à la surface de la terre mais ils participent à la réflexion vers la Terre du rayonnement infrarouge.

L'effet de serre, essentiellement dû à la vapeur d'eau (0,3% en volume, 55% de l'effet de serre) ainsi qu'aux nuages (27 % de l'effet de serre) soit environ 72 % par H₂0^[2], porte la température moyenne à la surface de la terre de -18°C (ce qu'elle serait en son absence) à +15°C. Une faible minorité affirme que seuls les nuages et non la vapeur d'eau H₂O ont un effet sur la température du globe^[3].

Émissions dûes aux activités humaines

Les concentrations en gaz à effet de serre dans l'atmosphère augmentent depuis le XIX^e siècle, et avec une vitesse de plus en plus forte. Le phénomène est essentiellement dû aux activités humaines, comme :

• l'utilisation massive de combustibles fossiles : en quelques dizaines d'années, on a rejeté dans l'atmosphère des quantités considérables de dioxyde de carbone provenant de carbone longuement accumulé dans le sous-sol depuis l'ère primaire. L'augmentation de la concentration de CO₂ dans l'atmosphère qui en résulte, est le principal facteur de réchauffement climatique. En 2007, le GIEC indique que la probabilité que l'homme soit responsable du changement climatique est de 90 %. Mais une faible minorité pense que l'homme n'a pas d'influence sur le changement climatique observé de l'age industrielle à ce jour. Les combustibles fossiles sont :
  • le charbon
  • les produits pétroliers
  • le gaz naturel
• la déforestation : une forêt mature est un réservoir important de carbone. La disparition de surfaces systématiquement plus grandes de forêt au profit de cultures ou de pâturages (emmagasinant une quantité moindre de matière organique), a pour effet d'augmenter les rejets de CO₂ dans l'atmosphère. En effet, la pousse de jeunes arbres ne peut plus absorber tout autant de carbone qu'en génère la dégradation des arbres morts.
• l'utilisation des CFC dans les systèmes de réfrigération et de climatisation (réglementée par le Protocole de Montréal) conduit aussi à des rejets préoccupants, surtout du fait de durées de vie dans l'atmosphère particulièrement longues.
• le protoxyde d'azote et le méthane sont aussi pris en compte dans les accords internationaux, mais pas l'ozone. L'ozone stratosphérique joue un rôle essentiel de protection contre les rayonnements ultraviolets. Son impact sur le réchauffement climatique est mineur comparé à son importance comme filtre.
• les rejets de méthane, naturels^[4], et non naturels : les animaux (essentiellement les ruminants et les termites), les surfaces inondées (estuaires, marais, rizières) produisent du méthane naturel en lieu et place du CO₂ (donc sans carbone ajouté). On peut imputer à l'augmentation du cheptel de bovidés^[5] comme aux décharges, une augmentation des émissions de méthane. Or ce gaz, même s'il se dégrade assez rapidement en CO₂, présente un forçage radiatif supérieur (et par conséquent un potentiel de réchauffement global accru). Inversement, lorsque le méthane produit peut être valorisé, il forme un combustible propre et renouvelable.

Le Protocole de Kyōto se donne comme objectif de stabiliser puis diminuer les émissions de GES afin de limiter le réchauffement climatique.

Concentrations atmosphériques en volume, durée de séjour et potentiel de réchauffement
des principaux gaz à effet de serre^[6]

gaz à effet de serre	formule	concentration préindustrielle	concentration actuelle	durée de séjour (ans)	PRG à 100 ans
vapeur d'eau	H2O	3‰	3‰	< 1	s. o.
dioxyde de carbone	CO2	278 ppm	385 ppm[7]	200 (variable)	1
méthane	CH4	0,7 ppm	1,7 ppm	12 ± 3	23
protoxyde d'azote	N2O	0,275 ppm	0,311 ppm	120	310
dichlorodifluorométhane (CFC-12)	CCl2F2	0	0,503 ppb	102	6 200 - 7 100
chlorodifluorométhane (HCFC-22)	CHClF2	0	0,105 ppb	12,1	1 300 - 1 400
tétrafluorure de carbone [8]	CF4	0	0,070 ppb	50 000	6 500
hexafluorure de soufre	SF6	0	0,032 ppb	3 200	23 900

Le potentiel de réchauffement global

Chaque GES a un effet différent sur le réchauffement global. Par exemple un kilo de méthane à un impact sur l'effet de serre 23 fois plus fort qu'un kilo de CO₂. Alors pour comparer les émissions de chaque gaz, en fonction de leur impact sur les changements climatiques on préfère utiliser une unité commune : l'équivalent CO₂ ou l'équivalent carbone; plutôt que de mesurer les émissions de chaque gaz.

L'équivalent CO₂ est aussi appelé potentiel de réchauffement global (PRG). Il vaut 1 pour le dioxyde de carbone qui sert de référence. Le potentiel de réchauffement global d'un gaz est le facteur par lequel il faut multiplier sa masse pour obtenir une masse de CO₂ qui produirait un impact équivalent sur l'effet de serre. Par exemple, le méthane a un PRG de 23, ce qui veut dire qu'il a un pouvoir de réchauffement 23 fois supérieur au dioxyde de carbone.

Pour l'équivalent carbone, on part du fait qu'un kg de CO₂ contient 0,2727 kg de carbone. L'émission d'un kg de CO₂ vaut par conséquent 0,2727 kg d'équivalent carbone. Pour les autres gaz, l'équivalent carbone vaut :

équivalent carbone = PRG x 0,2727

On peut noter que la combustion d'une tonne de carbone correspond bien à l'émission d'une tonne équivalent carbone de CO₂.

Cette unité de mesure est très utile pour déterminer les émissions produites par une entreprise, par exemple. On peut ainsi réaliser un bilan global qui prend en compte les émissions directes (combustions, consommation d'énergie, transports) et indirectes (fabrication et transport des produits sous-traités).

Mesure des émissions

Cycle du carbone^[9]

source de carbone	masse de carbone émise par an	puits de carbone	masse de carbone absorbée par an
carbone fossile	env. 5 Gt/an	absorption par les océans	2,5 Gt/an
déforestation	2 Gt/an	reforestation
autres dégradations de matière organique	env. 110 Gt/an	photosynthèse	env. 110 Gt/an

N. B. la biosphère représente 540 à 610 Gt de carbone ; le sol en retient de 1 500 à 1 600 Gt ; les océans en séquestrent 38 000 à 40 000 Gt, la lithosphère de 66 à 100 Tt (milliers de gigatonnes).

Le 3 novembre 2006, l'Organisation météorologique mondiale (OMM) confirmait que les concentrations mondiales de CO₂, loin de diminuer, et en dépit du protocole de Kyoto, ont atteint de nouveaux records en 2005 :

• La teneur moyenne de l'atmosphère en CO₂ était de 379,1 parts par million (ppm) (0,5% de plus qu'en 2004, et environ + 2,9% depuis 1993).
• Le protoxyde d'azote (N₂O) a aussi augmenté passant à 319,2 ppb, (0,2% de plus qu'en 2004, et 2,5 % de plus depuis 1993).

En 2007, la Chine devrait dépasser les États-Unis pour les émissions de gaz à effet de serre. Les émissions de dioxyde de carbone devraient passer de 5,6 milliards de tonnes en 2006 à 6,02 cette année dans ce pays, ce qui représente environ 22 % du total mondial^[10].

Evolution des émissions de GES des pays du G8, entre 1990 et 2005^[11]

Pays	Évolution des émissions de GES (1990-2005)
Canada	27 %
États-Unis	16,3 %
Italie	12,1 %
Japon	8 %
Russie	28,7 %

Durée de séjour

Les gaz à effet de serre, une fois dans l'atmosphère, ne s'éliminent que peu à peu. Cela veut dire aussi que même si on arrêtait totalement d'émettre des gaz à effet de serre, les gaz déjà émis continueraient d'agir pendant encore plusieurs siècles. Ils peuvent en être extraits de plusieurs manières :

• par un phénomène naturel (la pluie et la condensation retirent la vapeur d'eau de l'atmosphère)  ;
• par une réaction chimique intervenant dans l'atmosphère (le méthane, par exemple, réagit avec les radicaux hydroxyle naturellement présents dans l'atmosphère pour créer du CO₂)  ;
• par une réaction chimique intervenant à l'interface entre l'atmosphère et la surface du globe (le CO₂ est réduit par photosynthèse par les végétaux ou est dissout dans les océans pour former des ions bicarbonate et carbonate (le CO₂ est chimiquement stable dans l'atmosphère)  ;
• par des rayonnements : par exemple, les rayonnements électromagnétiques émis par le Soleil et les rayonnements cosmiques «brisent» les molécules dans les couches supérieures de l'atmosphère. Une partie des halocarbures disparaissent de cette manière (ils sont le plus souvent chimiquement inertes, par conséquent stables quand introduits et mélangés dans l'atmosphère).

Hormis la vapeur d'eau, qui est évacuée en quelques jours, les gaz à effet de serre mettent très longtemps à s'éliminer de l'atmosphère. Étant donné la complexité du système atmosphérique, il est difficile de préciser la durée exacte de leur séjour^[12]. Voici cependant quelques estimations de leur durée de séjour, c'est-à-dire le temps nécessaire pour que leur concentration diminue de moitié.

Durée de séjour des principaux gaz à effet de serre^[6]

gaz à effet de serre	formule	durée de séjour (ans)	PRG à 100 ans
vapeur d'eau	H2O	< 1	s. o.
dioxyde de carbone	CO2	200 (variable)	1
méthane	CH4	12 ± 3	23
protoxyde d'azote	N2O	120	310
dichlorodifluorométhane (CFC-12)	CCl2F2	102	6 200 - 7 100
chlorodifluorométhane (HCFC-22)	CHClF2	12,1	1 300 - 1 400
tétrafluorure de carbone [13]	CF4	50 000	6 500
hexafluorure de soufre	SF6	3 200	23 900

Voir aussi

Liens externes

• (fr) Calculer la quantité de CO₂ rejeté dans l'atmosphère
• (en) Émissions européennes (données : 2005 à 2008)

Notes et références

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