1. L’effet de serre et ses gaz

•  La mince couche constituée par l'atmosphère et à l'intérieur de laquelle s'élabore le climat de la planète joue un rôle actif dans la quantité de chaleur reçue du Soleil et conservée par la Terre et son atmosphère.En effet, une grande partie des rayons du Soleil traverse l'atmosphère, 30% étant réfléchis vers l'espace, principalement par les nuages, les molécules de l'air, et les surfaces claires (neiges, glaces, déserts). Les 70 % absorbés, en partie par l'humidité de la basse atmosphère mais principalement par la surface (50 %), sont convertis en chaleur. Les températures à la surface dépendent des conditions d'évacuation de cette chaleur vers l'espace sous forme de rayonnement infrarouge. Mais, alors qu'une fraction importante des rayons provenant du Soleil traverse l'atmosphère, seule une petite partie de ceux renvoyés vers l'espace sous forme de rayons infrarouges quittent l'atmosphère sans entrave ; du fait de la présence de gaz, dits à effet de serre, dans l'atmosphère, la plus grande partie du rayonnement infrarouge y est absorbée et réémise de nombreuses fois, recyclée en quelque sorte, contribuant ainsi au réchauffement atmosphérique. La vie sur Terre est grandement favorisée par l'existence de l'effet de serre. Sans lui, la température moyenne sur la planète serait inférieure d'environ 30 °C à ce qu'elle est aujourd'hui et s'établirait à environ - 18 °C, d'où la nécessité de répéter sans relâche que l'effet de serre n'est ni une calamité, ni un risque naturel, mais un phénomène physique rendant la vie sur Terre plus agréable à l'Homme dans les conditions climatiques générales actuelles.

   Les causes de l’intensification de l’effet de serre sont essentiellement attribuées à :
  - la combustion du carbone fossile (charbon, pétrole): les 6 milliards de tonnes brûlés par an dégagent 22 milliards de tonnes de dioxyde de carbone.
  - le déboisement : le bois, les branches, l'humus forestier dégagent aussi du dioxyde de carbone. Cette quantité annuelle est estimée entre 6,6 milliards de tonnes et 17,6 milliards de tonnes.

  Que représentent ces quantités annuelles par rapport à la totalité du dioxyde de carbone de l'atmosphère ? Environ 1 %, soit de 28,6 à 39,6 milliards de tonnes sur 2.600 milliards de tonnes.
  Compte tenu de l'augmentation prévisible du niveau des émissions d'origine humaine, ce taux de 1 % est loin d'être négligeable.
  En outre, les gaz à effet de serre autres que le carbone doivent être pris en compte.

  L'intensification de l'effet de serre provient en grande partie du surcroît d'émission de gaz à effet de serre par l'Homme depuis la révolution industrielle. Ce simple énoncé donne déjà une idée d'une concentration des sources d'émission de dioxyde de carbone dans l'hémisphère nord mais cela doit être complété par le rappel du rôle du méthane dégagé par les ruminants (bovins, moutons, chèvres et chameaux), par les terres inondées (toundras marécageuses de la Sibérie ou du Nord canadien, forêt amazonienne, mangroves tropicales, ...) dont, essentiellement, les rizières (la production de riz a doublé depuis 1940) et par les fuites provenant de l'exploitation du gaz naturel ou des mines de charbon (le grisou).

  
  

   

• Les gaz à effet de serre - dont la liste n'est pas close - peuvent être émis par la nature ou par l'Homme.
  Leurs caractéristiques sont très diverses : ainsi, leur capacité de réchauffement, comme leur durée de résidence dans l'atmosphère sont très inégales.  L'homme possède seulement un pouvoir sur le rythme et le volume des émissions des gaz à effet de serre. Il peut aller jusqu'à renoncer à en émettre de nouveaux ou à mettre fin à l'émission de gaz de source exclusivement anthropique. La liste des gaz à effet de serre non générés exclusivement par l'Homme comprend la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone, le méthane, le protoxyde d'azote, l'oxyde d'azote, et l'ozone. Celle des gaz à effet de serre générés exclusivement par l'Homme comprend les gaz ci-dessus, mais elle est bien plus longue.
  
  

  Habituellement, les gaz à effet de serre sont présentés en mentionnant que certains d'entre eux résultent à la fois d'émissions naturelles et d'émissions anthropiques et sans qu'il soit précisé la part respective des deux grandes catégories d'émissions. Mais, dans l'étude du rôle que ces gaz jouent dans l'intensification de l'effet de serre, il est particulièrement intéressant d'essayer de distinguer, gaz par gaz, la part des émissions naturelles et des émissions dues à l'homme, ne serait-ce que pour constater la difficulté d'opérer une distinction entre ces deux sources ; par exemple, les émissions d'une forêt ou d'une prairie sont-elles ou non naturelles ? En totalité ou en partie ? Dans quelles proportions ? De plus, pour apprécier l'importance de chacune de ces sources, il est indispensable de pouvoir les chiffrer. Or, beaucoup des mesures de ces gaz ont un caractère assez récent ; il est nécessaire de les compléter tant par des investigations paléoclimatologiques poussées que par la mise en oeuvre de nouvelles mesures.

  Vapeur d’eau : Assez souvent, dans l'énumération des gaz à effet de serre, la vapeur d'eau est oubliée, alors qu'il s'agit du premier gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Elle représenterait les deux tiers, voire 70% de l'effet de serre total.
  En revanche, on la trouve mentionnée parmi les rétroactions de l'intensification des gaz à effet de serre car, en réponse à une augmentation du dioxyde de carbone, la vapeur d'eau augmente en liaison avec l'élévation de la température. Cette rétroaction a pour effet de doubler le réchauffement initial. Toutefois, une marge d'incertitude existe sur l'ampleur de son rôle.
  Dans les déserts, l'humidité relative de l'air (L'humidité relative est le rapport pour une température donnée, entre le poids de vapeur par mètre cube et le poids de vapeur saturante -teneur en vapeur d'eau maximale pour une température donnée) est encore de 10 %, elle approche de 0 % en altitude dans l'Antarctique. Le taux de l'humidité relative varie non seulement selon les lieux, mais en fonction des saisons et même des heures du jour. Pour une même température, l'humidité relative peut varier très largement. Par exemple, elle peut être de 70 % sous les tropiques et de 15 % dans le Sahara pour une même température de 27°C au milieu de la journée.
  Pour leur part, les minuscules gouttelettes d'eau des nuages renvoient une grande partie des rayons infrarouges émis par le sol dans leur direction initiale renforçant ainsi l'effet de serre, notamment la nuit.
   
  Dioxyde de carbone (CO₂) : L'intensification de l'effet de serre due à l'accumulation des émissions anthropiques de ce gaz représente 60 % du renforcement anthropique total de l'effet de serre.
  Sa concentration dans l'atmosphère est passée de 280 ppmv (parties par million en volume, soit 1 cm³ par m³) en 1750 à 315 ppmv en 1958, 345 ppmv en 1984 et à 367 ppmv en 1999.
  Cette concentration fut pratiquement constante pendant les trois-quarts du deuxième millénaire.
  Entre les mesures effectuées actuellement et les reconstitutions autorisées par l'analyse des carottes glaciaires, il est permis de conclure que l'accélération des émissions de dioxyde de carbone au cours du dernier millénaire est intervenue essentiellement depuis le début de l'ère industrielle. Toutefois, au cours de l'histoire de la planète, des variations importantes sont déjà survenues en liaison avec des variations de température.
  La distinction entre les émissions de dioxyde de carbone par les terres ou par les océans d'avec celles causées par l'Homme n'a pu être mise en évidence qu'au cours de la période récente retracée par les mesures effectuées à partir de 1958 sur le mont Mauna Loa (Hawaï). Pour toute la période antérieure, ce sont les carottes glaciaires extraites de l'Antarctique, par exemple du Taylor Dome, ou de Vostok, qui fournissent les données essentielles. Grâce à ces forages, il est possible de remonter jusqu'à 420.000 ans (Vostok) avant la période actuelle.
  Ces données permettent d'affirmer qu'au cours du réchauffement intervenu il y a 1.500 ans, la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère est passée de 200 à 280 ppmv - soit approximativement la même augmentation que celle de l'ère industrielle en cent cinquante ans - mais cette évolution a duré plusieurs milliers d'années.
  Au rythme actuel d'émission, la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone dépasserait 400 ppmv en 2025 et 500 ppmv vers 2100.
   
   Méthane : Quant au méthane, le gaz des marais, sa contribution à l'intensification de l'effet de serre représente 20 % de celles des gaz à effet de serre de longue durée émis par l'homme. D'après les mesures opérées, les concentrations ont augmenté d'environ 150 % depuis 1750, et il semble que le seuil atteint actuellement n'ait jamais été dépassé au cours des 420.000 années précédentes.
  Ce gaz apparaît dans l'atmosphère à la suite de réactions chimiques.
  Comme le dioxyde de carbone, le méthane peut être d'origine naturelle, par exemple lorsqu'il se dégage des zones humides naturelles, ou d'origine animale (fermentation entérique ) ou bien d'origine humaine, lorsqu'il provient de l'agriculture (rizières inondées), de l'extraction de gaz ou des prairies. Il est considéré que plus de la moitié des émissions de méthane sont d'origine anthropique.
  Les mesures systématiques de ces émissions ne datent que de 1983 ; là encore, pour toute la période passée, il faut recourir à l'analyse des carottes glaciaires.
  Les sources naturelles de méthane sont les sols pour 65 % environ et les océans pour 30 %.
  Lors de son audition, M. Robert KANDEL a relevé qu'en cas de réchauffement, il existerait un risque de dégagement important de méthane piégé sous forme d'hydrates dans les sédiments sous-marins comme dans les pergélisols alors que ce gaz possède un potentiel d'effet de serre bien plus puissant que le CO₂.
  Il s'agirait là d'une cause humaine indirecte même si cette émission provenait de l'océan. Nous verrons un peu plus loin que le méthane - plus précisément "hydrate de méthane" - peut avoir de graves conséquences en relation à un réchauffement - lié à l'effet de serre -.
   
   Protoxyde d’azote : La contribution du protoxyde d'azote ou oxyde nitreux représente environ 6 % du total des gaz à effet de serre.
   
   Oxyde d’azote (NO_x) : Certains gaz ont seulement une influence indirecte sur le réchauffement. Tel est le cas, par exemple, de l'oxyde d'azote (NO_x) qui est la somme de deux gaz nitreux, le NO et le NO₂ ensemble appelés « NO_x », du monoxyde de carbone (CO), et des composés organiques volatils (COV).
  Ces polluants ont une influence non seulement sur la formation de l'ozone, mais aussi sur la durée de vie du méthane et d'autres gaz à effet de serre. Il en sera question plus loin dans la mesure où les émissions de NO_x comme de monoxyde de carbone sont principalement générées par l'activité humaine.
   
   Ozone (O₃) : L'ozone résulte d'un processus photochimique se produisant à partir de gaz précurseurs d'origine tant naturelle qu'humaine.
  L'ozone possède des effets différents selon qu'il se situe dans la stratosphère ou dans la troposphère.
  En effet, cet important gaz à effet de serre est présent dans ces deux couches de l'atmosphère mais, alors que, dans la stratosphère, l'ozone agit à la fois sur le rayonnement ultraviolet solaire et sur le rayonnement infrarouge, provoquant un refroidissement à la surface du globe, à l'inverse, dans la troposphère, par sa contribution à l'effet de serre, il entraîne un réchauffement.
   
   Halocarbures : Leur contribution représente 14 % de l'effet de serre additionnel provenant des gaz à effet de serre ajoutés. Pour la plupart d'entre eux, la source humaine est la seule origine.