Gaz à effet de serre d'origine naturelle

L'effet de serre est un mécanisme physique naturel qui permet à l'atmosphère terrestre, grâce à la présence de certains gaz dans sa partie supérieure, de laisser passer l'énergie du soleil qui nous arrive sous forme de lumière mais qui piège cette même énergie réfléchie sous forme de chaleur par la surface de la Terre. Un mécanisme proche est utilisé par les jardiniers qui avec des vitres produisent un effet de serre très efficace à petite échelle.

Mais afin de mieux saisir la complexité du phénomène, suivons le trajet de la lumière. A son origine solaire la lumière n'est pas émise de manière stable dans le temps. Son intensité dépend de l'activité du Soleil mesurée par la variation en taille et en nombre des tâches à sa surface. La puissance du rayonnement solaire augmente avec le nombre de tâches qui, bien que d'intensité moindre, sont liés à l'existence voisine de jets très lumineux et très énergétiques de matière solaire. On a trouvé à cette activité des cycles de onze ans et des cycles de 22 ans plus faibles. Il a été prouvé - à partir de mesures faites en Europe occidentale et aux USA - que ces cycles de onze ans ont des effets statistiques sur le climat et expliqueraient l'alternance d'hivers cléments avec des hivers plus rigoureux. L'amplitude maximum de ces fluctuations par rapport à l'activité globale du Soleil n'est que de 2° mais par le biais de conséquences en série qui amplifient leur influence, elles peuvent donner des variations perceptibles de la température moyenne terrestre de 0,5°C. De cette lumière émise dans l'espace dans toutes les directions, une infime partie (2,2 milliardième) parvient à la terre et est inversement proportionnelle au carré de sa distance au Soleil. Comme les fluctuations orbitales de la Terre modifient cette distance, elles sont aussi responsables de modifications climatiques observées dans le passé.

Lorsque cette lumière parvient à la Terre, elle est réfléchie pour environ un tiers par l'atmosphère (nuages et aérosols) et par le sol (principalement glace et océans). Elle est absorbée pour les deux tiers restants. Le pouvoir réflexif d'un corps (l'albédo) se mesure entre zéro et un. Zéro correspond au corps noir qui ne réfléchit rien. Un correspond à l'albédo des corps blancs qui font miroir et qui renvoyant toute la lumière (exemple de la neige), prennent la température du zéro degré absolu (0°Kelvin). Les nuages ont un albédo proche de un comme on peut le constater lorsqu'on les voit éclairés, en particulier depuis un avion. Ils apparaissent en effet très blancs et renvoient de manière très efficace la lumière. Cette propriété explique que sur l'ensemble de la lumière réfléchie aussi bien par l'atmosphère que par le sol, les nuages à eux seuls contribuent pour environ les deux tiers. Mais leur influence réelle est complexe à modéliser car elle dépend de la densité des nuages et de leur altitude.

La chaleur absorbée, aussi bien par l'atmosphère (principalement par les nuages) que par le sol, est réémise. La partie émise en direction de l'espace est partiellement arrêtée grâce aux gaz dits à effet de serre qui, présents dans la haute atmosphère, piègent la chaleur. L'atmosphère est donc principalement chauffée par le bas, alors que l'énergie vient à l'origine du Soleil, mais sans être absorbée. On s'accorde à penser que si l'effet de serre était total, la température moyenne de la terre serait de +30°C et en absence d'effet de serre, la température théorique serait de -18°C. L'effet de serre réel est évidemment intermédiaire entre ces deux valeurs et le résultat actuel de son action donne une température moyenne terrestre d'environ +15°C. Les deux planètes voisines de la Terre montrent de manière extrême ce qui aurait pu arriver à une planète possédant d'autres conditions atmosphériques et à une autre distance du Soleil. D'un côté, Mars est un désert de glace avec une température moyenne de -80°C, de l'autre Vénus possède une atmosphère surchauffée qui dépasse les 300°C. Heureusement, la température moyenne de la Terre, elle, oscille depuis 600 millions d'années dans une fourchette (de 10°C à 25°C) qui permet à l'eau d'exister principalement sous sa forme liquide donc de faciliter l'existence de la vie. Du fait de cette présence de la vie (marine et végétale terrestre) qui a permis le stockage du gaz carbonique, l'atmosphère terrestre contient 0,03% de gaz carbonique alors que les atmosphères de Mars et de Vénus privées de vie en contiennent 95%.

Ces gaz dits "à effet de serre" sont : la vapeur d'eau (comprenant les nuages) dont l'influence est évaluée à un peu moins des deux tiers de la contribution totale, puis le dioxyde de carbone (gaz carbonique ou CO2) qui intervient pour environ un cinquième. Les 15% restants sont dus à l'ozone de la troposphère (couche de l'atmosphère la plus proche de la Terre), au protoxyde d'azote, au méthane (CH4) et enfin à d'autres gaz en très petites quantités dont différents hydrocarbures fluorés (CFC) bien connus par ailleurs car responsables de la destruction de la couche d'ozone de la stratosphère (située au dessus de la troposphère). Cet ozone est à distinguer de l'ozone de la troposphère, plus bas en altitude, qui augmente avec les activités humaines. Prévoir l'évolution de l'action de ces gaz dans le futur demande par conséquent de savoir modéliser le cycle de l'eau perturbé par les changements climatiques, avec entre autres difficultés l'évaluation de l'évaporation des océans responsable à 85% de la formation des nuages.