Ce document contient la transcription textuelle d’une vidéo du MOOC « Causes et enjeux du changement climatique ». Ce n’est donc pas un cours écrit au sens propre du terme ; le choix des mots, l'articulation des idées et l’absence de chapitrage sont propres aux interventions orales des auteurs.

Le rôle de l’effet de serre sur le climat, de Joseph Fourier à aujourd’hui

Jean-Louis DUFRESNE
Directeur de recherche – CNRS

Joseph Fourier, au début du XIXe siècle, est le premier à avoir mis en évidence ce qu'on appelle maintenant l'effet de serre. A l'époque, il cherchait à comprendre quels étaient les phénomènes physiques qui régissaient la température de la Terre, avec l’hypothèse implicite que la Terre était chauffée par l'intérieur de la Terre qui était très chaud, ce qui avait un rôle important sur la surface. En mesurant des gradients de température, notamment dans les mines de charbon, il a pu mettre en évidence que la chaleur qui venait du centre de la Terre jouait un rôle négligeable sur la température de surface. C’est aujourd’hui confirmé par un tas d'autres mesures.

1. Le rôle de l’atmosphère

Si ce n'était pas l'intérieur de la Terre qui contrôlait la température de surface, c'était l'extérieur, c'est-à-dire les échanges entre la Terre et le Soleil d'une part et le ciel ou l'espace de l'autre. Quel était le cadre conceptuel qu'il a mis en place à l'époque ? Le voici. La Terre est réchauffée par le rayonnement solaire, qui lui apporte de l'énergie. Cette énergie chauffe la Terre et au bout d'un certain temps, la Terre émet du rayonnement infrarouge. Elle perd l'énergie qu'elle a reçue du Soleil sous forme de rayonnement infrarouge. La température s'ajuste pour que la Terre perde autant d'énergie qu'elle en reçoit. Ce cadre existe toujours. Il est vrai pour la Terre mais aussi pour les autres planètes. Dans le cadre de la Terre, l’énergie du soleil arrive et à peu près un tiers de cette énergie solaire est réfléchie vers l'espace, en partie beaucoup par les nuages et puis un peu aussi par les déserts ou les surfaces très claires comme la neige. La partie qui est absorbée par la Terre sert à réchauffer la Terre puis après, cette énergie est perdue vers l'atmosphère. Elle sert à réchauffer l'atmosphère et l'atmosphère elle-même se refroidit en émettant du rayonnement infrarouge vers l'espace. Si on regarde la Terre depuis l'extérieur, par exemple par les satellites, on observe qu’elle reçoit en moyenne 240 W/m² d'énergie solaire et qu’elle perd la même quantité d'énergie sous forme de rayonnement infrarouge. Par contre, si on regarde l'énergie infrarouge émise par la surface de la Terre, on observe que cette énergie est de l’ordre de 390 W/m². L’énergie émise par la surface de la Terre est donc beaucoup plus importante que l'énergie perdue au sommet de l'atmosphère. Il y a une espèce de piégeage du rayonnement infrarouge par l'atmosphère. C'est ce qu'on appelle l’effet de serre.

2. Représentation de l’effet de serre

Pour essayer d’expliquer cela, on peut regarder comment se comporterait une vitre idéalisée, c'est-à-dire une vitre qui n'absorbe pas du tout le rayonnement solaire, par contre qui absorbe totalement le rayonnement infrarouge. Comment se comporterait une plaque située en dessous de cette vitre ?

Si la plaque chauffée par le soleil reçoit une certaine quantité d'énergie, disons 1, en unités arbitraires, elle va perdre cette même quantité d'énergie par émission de rayonnement infrarouge. Cette énergie va être émise, va servir à chauffer la vitre, qui va perdre cette énergie en émettant du rayonnement infrarouge et cette énergie sera perdue moitié vers le haut, moitié vers le bas. La partie vers le haut est perdue vers l'espace et la partie vers le bas sert à réchauffer la surface, qui va donc se réchauffer et émettre davantage de rayonnement infrarouge. Ce rayonnement infrarouge sera à nouveau absorbé par la vitre qui va s'échauffer, qui va émettre moitié vers le haut, moitié vers le bas. La partie vers le bas va être à nouveau absorbée par la surface qui va se réchauffer, etc. Si on fait la somme de tous ces termes-là, on obtient que l'énergie solaire qui arrive (1 unité) est perdue par la vitre. Il y a conservation de l'énergie. Par contre, par toute cette espèce de mécanisme de rayonnement qui est émis vers la vitre, par la vitre vers le bas et autre, la surface n’émet plus 1 comme au début, mais elle émet 2. Sa température est augmentée grâce à l'effet de serre. Tout ça peut être calculé de façon précise sur la Terre. On connaît un certain nombre de propriétés de gaz qui absorbent le rayonnement infrarouge. On est capable de calculer ce qu'on appelle l'équation de transfert radiatif et on est capable de faire des mesures. La surface émet 390 W par mètre carré et il en sort seulement 240. Il y a donc 150 W par mètre carré qui sont piégés par l'effet de serre. Par le calcul, on peut montrer qu'en ciel clair, la vapeur d'eau est le principal gaz à effet de serre. Il contribue à peu près à 60 % de l'effet de serre. Le CO2 (dioxyde de carbone) est le deuxième gaz à effet de serre qui contribue à peu près à un quart. Le restant correspond à d’autres gaz qui contribuent à l'effet de serre comme l'ozone, le protoxyde d’azote, le méthane, plus d'autres gaz qui interviennent de façon plus marginale.

3. Complexification du modèle

Dans notre schéma de tout à l'heure, on avait pris une vitre qui était parfaitement transparente au rayonnement solaire et qui absorbait totalement le rayonnement infrarouge au-dessus d'une surface. On peut se demander si cet effet de serre est maximum dans la mesure où la vitre absorbe déjà tout le rayonnement infrarouge ou est-ce qu’il pourrait être encore augmenté. La vitre ne peut pas absorber plus qu’elle n'absorbe dans l'infrarouge puisqu'elle absorbe déjà tout. Mais par contre on peut augmenter l'effet de serre en mettant une deuxième vitre au-dessus de la première. On comprend bien que si on met une deuxième vitre au-dessus de la précédente, il y a à nouveau tous les échanges évoqués précédemment qui vont se mettre en place et on va avoir un effet de serre plus efficace. C’est la même chose si on ajoute une troisième, une quatrième vitre, etc.

Pourquoi cela est-il important ? Si on regarde comment l'absorption de l'atmosphère change avec la concentration de CO2, on s'aperçoit que pour les très faibles concentrations de CO2, beaucoup plus faibles que celle d'aujourd'hui, l'absorption augmente avec la concentration de CO2. Mais par compte, pour les concentrations proches de celles d'aujourd'hui (autour de 400 ppm), l’absorption augmente un tout petit peu avec le CO2 mais très peu. Pourtant, les calculs montrent que si l'absorption change peu, cette situation change les effets radiatifs et l'effet de serre. Pourquoi ? Si on a une seule vitre, on voit qu’on a un espèce d'effet de serre qui semble saturé, par contre si on met une vitre au-dessus de la précédente et bien, l’effet de serre continue à augmenter. Dans le cas du CO2, qu'est-ce que ça veut dire ? Ça veut dire que quand on augmente la concentration de CO2, ce n’est pas le bas de l'atmosphère qui joue un rôle important mais c'est le haut de l'atmosphère. C'est l'effet de serre dans le haut de l'atmosphère qui fait que l'effet de serre augmente quand on augmente le CO2. Il y a donc ici un paradoxe qui montre qu'il n'y a pas d'effet de serre maximum, notamment en ce qui concerne le CO2. Il y a un effet de saturation de l'absorption mais pas dans l'effet de serre.

4. Conclusion

L'effet de serre est un phénomène physique qui est bien compris, bien calculé, et bien observé. On mesure des spectres infrarouges tous les jours à la fois à la surface de la Terre et puis aussi par l'espace. On est capable de calculer ça avec les modèles et de les valider avec les opérations satellitaires ou les observations qui sont faites à la surface. C'est un phénomène physique qui est très bien connu, mais qui pour autant n’est pas simple. L’effet de serre fait penser à une serre horticole, alors que tous les phénomènes qui se passent dans l'atmosphère sont en fait très différents de ceux qui se passent dans la serre horticole. C’est aujourd'hui quelque chose qui est bien établi en termes scientifiques. Si on augmente l'effet de serre, par exemple en augmentant la concentration de CO2 ou lorsque la concentration de vapeur d’eau augmente, on va augmenter la température de la Terre. Ce sont des choses extrêmement robustes. Par contre, les questions scientifiques qui sont derrière portent sur le calcul de ce réchauffement, notamment en prenant en compte le fait que tout le reste va varier, notamment la vapeur d'eau. Elles portent aussi sur le calcul des conséquences de ce réchauffement sur la pluie, les vents, la distribution de vapeur d'eau, les phénomènes climatiques tels que les tempêtes, les ouragans etc. Ce sont des questions scientifiques extrêmement ouvertes. Mais l'effet de serre lui-même, les échanges radiatifs, ce sont des phénomènes physiques très solides.