L'effet de serre : un phénomène naturel que l'on renforce

L'effet de serre, c'est la capacité de certains gaz de l'atmosphère à retenir une partie de la chaleur que la Terre renvoie vers l'espace. Ce phénomène est naturel et il nous rend service : selon le ministère de la Transition écologique, sans lui, la température moyenne de notre planète serait d'environ -18 °C, contre près de 14 °C à la fin du XIXe siècle.

Ce qui a changé depuis deux siècles, c'est la quantité de ces gaz. En brûlant du charbon, du pétrole et du gaz, en déboisant, en élevant des ruminants, l'humanité en a ajouté. La couverture s'est épaissie, et la Terre se réchauffe. C'est tout le sens du titre : un mécanisme naturel, que nous renforçons. Comme toujours dans la rubrique Eau, Terre et climat, on va le démonter pièce par pièce.

La lumière arrive, la chaleur repart

Ce que la Terre reçoit

Le Soleil envoie surtout de la lumière visible, et un peu d'ultraviolet et d'infrarouge. Une partie est renvoyée tout de suite vers l'espace par les nuages, la glace, les surfaces claires. Le reste traverse l'atmosphère, qui est presque transparente à cette lumière, et réchauffe le sol et les océans.

Ce que la Terre renvoie

Tout corps chaud émet un rayonnement. Le Soleil, très chaud, rayonne surtout dans le visible. La Terre, bien plus froide, rayonne dans l'infrarouge, une lumière invisible pour nous. C'est par ce rayonnement que la planète évacue la chaleur reçue ; sans lui, elle ne cesserait de chauffer.

Ce que font les gaz à effet de serre

Certains gaz présents dans l'air, en petite quantité, laissent passer la lumière visible mais absorbent une partie de l'infrarouge émis par le sol. Ils le réémettent ensuite dans toutes les directions, donc en partie vers le bas. Le sol reçoit ainsi deux apports : la lumière du Soleil et cette chaleur renvoyée par l'atmosphère. Il se stabilise à une température plus élevée que s'il était nu face à l'espace.

L'azote et l'oxygène, qui forment presque tout l'air, ne jouent pas ce rôle. Ce sont des molécules trop simples pour absorber l'infrarouge de cette façon. Les gaz à effet de serre ont au moins trois atomes, ou deux atomes différents, et c'est leur manière de vibrer qui leur permet de capter ce rayonnement.

Les gaz en jeu

La vapeur d'eau, la plus abondante

La vapeur d'eau est le principal gaz à effet de serre naturel. On pourrait donc croire qu'elle mène la danse. Sa particularité, c'est que sa quantité dans l'air dépend de la température : un air plus chaud en contient davantage, un air plus froid la condense en nuages, en pluie, en neige. Elle ne s'accumule pas sur des siècles comme le CO₂. Elle suit le réchauffement et l'amplifie : c'est ce que les climatologues appellent une rétroaction. Les va-et-vient de l'eau entre ses formes sont détaillés dans notre article sur les trois états de l'eau.

Le CO₂, celui qu'on ajoute le plus

Le dioxyde de carbone, lui, reste longtemps dans l'atmosphère une fois émis. C'est le principal gaz ajouté par les activités humaines. Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), dans le résumé à l'intention des décideurs de son sixième rapport, indique que sa concentration est passée d'environ 280 parties par million (ppm) vers 1750 à 410 ppm en 2019, un niveau jamais atteint depuis au moins deux millions d'années.

Une partie de ce CO₂ n'est pas restée dans l'air. L'océan en a absorbé une part importante, ce qui a fait baisser son pH ; notre article sur le pH explique pourquoi une baisse qui paraît minime représente beaucoup d'ions hydrogène en plus.

Une découverte qui ne date pas d'hier

L'idée n'a rien de récent. En 1824, le mathématicien et physicien français Joseph Fourier se demande pourquoi la Terre est plus chaude que ne le voudrait la seule lumière du Soleil, et il compare l'atmosphère au couvercle de verre d'une boîte. Au milieu du XIXe siècle, des expériences en laboratoire, notamment celles du physicien irlandais John Tyndall, montrent que la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone absorbent la chaleur rayonnée. En 1896, le chimiste suédois Svante Arrhenius calcule à la main ce que changerait une variation du CO₂ atmosphérique sur la température du globe.

Il a fallu ensuite des décennies de mesures, de satellites et de modèles pour passer de l'intuition au chiffre. Mais le principe physique, lui, est connu depuis deux siècles.

Ce qui se passe quand on ajoute des gaz

Avec plus de gaz à effet de serre, une plus grande part de l'infrarouge émis par le sol est interceptée et renvoyée vers le bas. Pendant un temps, la Terre reçoit plus d'énergie qu'elle n'en évacue. Elle se réchauffe jusqu'à retrouver un équilibre, à une température plus haute.

Le sixième rapport du GIEC chiffre ce réchauffement : la température à la surface du globe a été d'environ 1,1 °C plus élevée sur la période 2011-2020 que sur 1850-1900. Le même rapport attribue sans ambiguïté ce réchauffement à l'influence humaine.

Un degré, ça semble peu à l'échelle d'une journée de printemps. Mais il s'agit d'une moyenne sur toute la planète et sur des années entières, qui englobe les océans dont la masse énorme se réchauffe lentement. Ce degré moyen se traduit par des vagues de chaleur plus fréquentes, des glaciers qui reculent, une mer qui monte en se dilatant et en recevant l'eau des glaces fondues.

Pourquoi la nuit compte autant que le jour

C'est la nuit que l'effet de serre se voit le mieux, dans la vie de tous les jours. Une nuit d'hiver sans nuages est plus froide qu'une nuit couverte : la couche nuageuse, faite de gouttelettes d'eau, renvoie vers le sol une partie de l'infrarouge qui s'échappait. Au jardin, j'ai appris à le lire dans le givre : après une nuit claire, les feuilles basses sont blanches au matin ; après une nuit grise, rien. En atelier avec les enfants, on prend souvent cet exemple, parce que tout le monde a déjà gratté un pare-brise.

En ville, un phénomène voisin mais différent s'ajoute : les matériaux stockent la chaleur du jour et la relâchent la nuit. On en parle dans notre article sur l'îlot de chaleur urbain.

Deux confusions fréquentes

Effet de serre et trou dans la couche d'ozone

Ce sont deux sujets distincts. La couche d'ozone, en haute altitude, filtre une partie des ultraviolets du Soleil. Son amincissement, dû à certains gaz chlorés, a été un problème majeur à la fin du XXe siècle. Il ne provoque pas le réchauffement climatique, même si certains des gaz en cause sont aussi des gaz à effet de serre.

Météo et climat

Un hiver froid ne contredit pas le réchauffement. La météo, c'est le temps qu'il fait sur quelques jours. Le climat, c'est la moyenne de ce temps sur des décennies. Le chiffre du GIEC compare deux périodes de plusieurs dizaines d'années, pas deux saisons.

Un équilibre qu'on déplace

L'effet de serre n'est ni un ennemi ni une invention récente. C'est un réglage de la planète, qui la maintient une trentaine de degrés plus chaude qu'elle ne le serait sans atmosphère. En ajoutant des gaz qui s'accumulent, on tourne ce réglage vers le haut. Et comme le CO₂ reste longtemps dans l'air, ce qu'on émet aujourd'hui continuera d'agir bien après. Comprendre le mécanisme ne règle rien à lui seul, mais cela permet de lire les débats avec les bons mots, et de faire la différence entre une nuit froide et un climat qui change.