La science du changement climatique

Gaz à effet de serre et forçage radiatif

Effet de serre

L’effet de serre est le phénomène par lequel l’atmosphère protège la planète contre la perte de chaleur. Il est provoqué par les gaz à effet de serre (GES), qui permettent au rayonnement solaire de courtes longueurs d’onde de pénétrer l’atmosphère et la surface de la Terre. Ce rayonnement est absorbé par la surface de la planète, ce qui en provoque le réchauffement (figure 1). Les GES agissent comme une couverture qui emprisonne la chaleur dans la basse atmosphère –c’est ce qu’on appelle « l’effet de serre ».

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Ce phénomène – l’effet de serre naturel – est essentiel à la vie biologique sur Terre. Il maintient la température en surface à environ 15 °C. Si toute l’énergie de rayonnement s'échappait dans l'espace, la température globale serait de -18 °C, c'est--à-dire qu'elle descendrait de 33 °C.

La température et le système climatique de la Terre sont comparables à un moteur thermique, alimenté par l’énergie du Soleil. Il existe un équilibre énergétique entre le rayonnement incident et le rayonnement sortant, lequel est en partie régi par la concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Un changement climatique se produit lorsque l’énergie solaire totale absorbée n’équivaut pas à l’énergie totale libérée. Il en résulte une perturbation de l’équilibre radiatif.

Les humains aussi peuvent donc faire varier la température et le système climatique. L’activité humaine – notamment l’utilisation de combustibles fossiles, le déboisement ou la modification de l’affectation des terres, les procédés industriels, etc. – fait croître la concentration des GES dans l’atmosphère à un rythme alarmant. Cette augmentation supplémentaire des GES est à l’origine de « l’effet de serre renforcé », lequel se produit lorsqu’une quantité accrue d’énergie incidente est retenue dans l’atmosphère. Ce phénomène peut avoir de graves répercussions sur les processus physiques et chimiques et sur la vie biologique sur Terre.

Même si les GES représentent moins de 1 % de tous les gaz de l’atmosphère, ils font augmenter de 33 °C la température à la surface de la Terre. Parce que la concentration des GES dans l’atmosphère est si faible, les émissions anthropiques (émissions de gaz liées à l’activité humaine) peuvent avoir un effet dramatique sur l’équilibre radiatif, et donc sur la température à la surface de la planète.

Gaz à effet de serre

Certains des GES présents dans l’atmosphère proviennent à la fois de processus naturels et de l’activité humaine. En voici quelques-uns :

• vapeur d’eau (H₂O)
• dioxyde de carbone (CO₂)
• méthane (CH₄)
• hémioxyde d’azote, ou oxyde nitreux (N₂O)
• ozone troposphérique (O₃)

D’autres GES proviennent presque entièrement de sources anthropiques, dont les suivants :

• chlorofluorocarbures (CFC)
• hydrofluorocarbures (HFC)
• perfluorocarbures (PFC)
• hexafluorure de soufre (SF₆)

Tendances relatives à la concentration des gaz à effet de serre au 20e siècle

Depuis 1750, la concentration atmosphérique de CO₂ s’est accrue de 31 %; elle continue d’augmenter de 1,5 ppm (0,4 %) par année, en moyenne. Environ 80 % des émissions anthropiques de CO₂ enregistrées au cours des 20 dernières années sont attribuables à l’utilisation de combustibles fossiles et à la production de ciment, et le reste, au déboisement. Quant aux concentrations atmosphériques de CH₄ et de N₂O, elles ont progressé respectivement de 151 et de 17 % depuis 1750. Le tableau 1 décrit comment la concentration de certains GES dans l’atmosphère de la Terre s’est accrue au 20e siècle (Rapport de synthèse du GIEC, 2001).

Tendances relatives aux émissions de gaz à effet de serre

La Division des gaz à effet de serre d’Environnement Canada (EC) publie régulièrement un rapport sur les émissions et les absorptions de GES ainsi que sur les récentes tendances au Canada. Il s’agit de l'Inventaire canadien des gaz à effet de serre : émissions et absorptions de 2000 et tendances. Ce rapport donne un résumé des sources et des puits de gaz à effet de serre au Canada et décrit les méthodes actuelles utilisées pour calculer les émissions et les absorptions de GES. Il est également possible de consulter l'Inventaire des émissions de gaz à effet de serre, issu de la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques (CCNUCC).

Concentrations futures des GES selon les scénarios d’émissions

En 2000, le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) a publié un rapport spécial sur les scénarios d'émissions (SRES)Il s’agit d’une nouvelle série de scénarios d’émissions remplaçant les scénarios IS92, bien connus, publiés en 1992. Le SRES s’appuie sur quatre canevas narratifs de scénarios qui décrivent la relation entre les diverses forces influant sur les émissions, ainsi que la vaste gamme des facteurs démographiques, économiques et technologiques, afin de déterminer les émissions futures de GES et de soufre. L’équation de Kaya permet de calculer les émissions de CO₂:

Formule - émissions de CO2 = Population x PIB par habitant (richesse) x énergie/PIB (efficacité énergétique) x CO2/énergie (type d'énergie)

La figure 2 illustre les émissions anthropiques projetées des trois principaux GES, ainsi que les émissions anthropiques de dioxyde de soufre. Ces projections montrent une vaste gamme de concentrations des GES. On prévoit, d’ici 2100, des concentrations variant entre 490 et 1 260 ppm (c’est--à-dire de 75 à 350 % supérieures à celles de 1750) et des variations (baisses/hausses) oscillant entre -10 et +30 %.

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Forçage radiatif

Le forçage radiatif représente un changement de l’équilibre entre les flux nets de rayonnement vers l’intérieur de l’atmosphère et vers l’extérieur de l’atmosphère qui « force » le climat à passer en état de déséquilibre. En somme, le forçage radiatif modifie le bilan radiatif de la Terre et donc le climat. Un forçage radiatif positif (par exemple, celui attribuable à la hausse de la concentration des GES) réchauffe l’atmosphère, tandis qu’un forçage radiatif négatif (par exemple, causé par un accroissement de la concentration des aérosols de sulfates, qui reflètent le rayonnement solaire incident) tend plutôt à entraîner un refroidissement de l’atmosphère. Il est important de connaître les agents qui provoquent le forçage radiatif du climat et leur incidence sur l’équilibre radiatif pour comprendre les changements climatiques qui se sont produits par le passé et pour prévoir ceux qui pourraient survenir. La figure 3a montre la progression de la concentration atmosphérique des trois principaux GES au cours des 1000 dernières années, ainsi que la hausse correspondante de leur forçage radiatif. La figure 3b illustre la variation de la concentration de sulfate atmosphérique déposé sur la calotte glaciaire du Groenland, source de forçage négatif. à noter la hausse des concentrations de GES et des aérosols de sulfates, ainsi que le forçage radiatif qui en est résulté depuis le début de la révolution industrielle.

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Les gaz à effet de serre transforment le climat

La figure 4 montre les anomalies de la température mondiale annuelle moyenne en surface qui ont été observées (ligne grise) et celles qui ont été simulées en fonction d’un modèle (ligne rouge) depuis environ 1860. La simulation de l’effet du forçage radiatif naturel (variation du rayonnement solaire et des éruptions volcaniques) ne suffit pas à expliquer entièrement le réchauffement climatique observé au XXe siècle, surtout au cours des 50 dernières années. La simulation du forçage causé par l’activité humaine offre une bien meilleure explication des changements enregistrés depuis 50 ans. Comme prévu, c’est en combinant toutes les sources de forçage qu’on obtient la meilleure concordance entre les observations faites de 1850 à aujourd’hui et les simulations par modèle, comme le montre la figure 4c. Les experts en concluent que le réchauffement des 50 dernières années a probablement été causé en grande partie par l’activité humaine.

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Liens / Pour en savoir davantage

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le site Web d'Environnement Canada.