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composants gazeux qui absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre, contribuant à l'effet de serre

 

Les gaz à effet de serre (GES) sont des composants gazeux qui absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre, contribuant à l'effet de serre. L'augmentation de leur concentration dans l'atmosphère terrestre est un facteur soupçonné d'être à l'origine du récent réchauffement climatique.

Un gaz ne peut absorber les infrarouges qu'à partir de trois atomes par molécule, ou à partir de deux si ce sont deux atomes différents.

Les principaux gaz à effet de serre qui existent naturellement dans l'atmosphère sont :
la vapeur d'eau (H2O) ;
le dioxyde de carbone (CO2) ;
le méthane (CH4) ;
le protoxyde d'azote (N2O) ;
l'ozone (O3).

Les gaz à effet de serre industriels incluent, outre les principaux gaz déjà cités ci-dessus, des gaz fluorés comme :
les hydrochlorofluorocarbures, comme le HCFC-22 (un fréon) ;
les chlorofluorocarbures (CFC) ;
le tétrafluorométhane (CF4) ;
l'hexafluorure de soufre (SF6).

Notes :
L'eau (sous forme de vapeurs ou de nuages) est à l'origine de 72 %, soit près de trois quarts de l'effet de serre total.
Le dioxyde de carbone est le principal (en quantité) gaz à effet de serre produit par l'activité humaine, 74 % du total (tous modes d'émissions réunis)

 

 Le mécanisme de l'effet de serre


Sous l'effet des gaz à effet de serre, l'atmosphère terrestre se comporte en partie comme la vitre d'une serre, laissant entrer une grosse partie du rayonnement solaire, mais retenant le rayonnement infrarouge réémis. Mais dans une serre il y a, en plus, l'absence de convection qui accentue l'échauffement de l'air.

La transparence de l'atmosphère (dans le visible) permet au rayonnement solaire d'atteindre le sol. L'énergie ainsi apportée s'y transforme en chaleur. Comme tout corps chaud, la surface de la Terre rayonne sa chaleur vers le fond du Ciel. Mais les GES et les nuages sont opaques aux rayons infrarouges émis par la Terre. En absorbant ces rayonnements, ils emprisonnent l'énergie thermique près de la surface du globe, où elle réchauffe l'atmosphère basse. Les nuages qui sont des particules de glace (ou d'eau liquide) réfléchissent le rayonnement solaire vers l'espace et le rayonnement terrestre vers elle sans changer leur longueur d'onde. Les nuages ont un effet sur le climat mal connu au début du XXIe siècle car ils atténuent le rayonnement infrarouge reçu à la surface de la Terre ; mais ils participent à la réflexion vers la Terre du rayonnement infrarouge.

L'effet de serre, principalement dû à la vapeur d'eau (0,3 % en volume, 55 % de l'effet de serre) et aux nuages (17 % de l'effet de serre) soit environ 72 % pour H201, porte la température moyenne à la surface de la Terre de -18 °C (ce qu'elle serait en son absence) à +15 °C. Une faible minorité affirme que seuls les nuages et non la vapeur d'eau H2O ont un effet sur la température du globe.

 

Émissions dues aux activités humaines 

Les centrales thermiques à flamme causent une bonne part des émissions de GES (Ici la centrale thermique de Porcheville, Yvelines)


Les concentrations en gaz à effet de serre dans l'atmosphère augmentent depuis le XIXe siècle. Le phénomène est probablement dû aux activités humaines, comme :
L'utilisation massive de combustibles fossiles : en quelques dizaines d'années, on a rejeté dans l'atmosphère des quantités considérables de dioxyde de carbone provenant de carbone longuement accumulé dans le sous-sol depuis l'ère primaire. L'augmentation de la concentration de CO2 dans l'atmosphère qui en résulte, peut être un facteur de réchauffement climatique. En 2007, le GIEC indique que l'homme semble être, avec une probabilité d'environ 90 %, responsable du changement climatique. Mais de plus en plus de scientifiques et spécialistes du climat comme Roger A Pielke pensent que l'influence de l'homme sur le changement climatique est plus complexe que seulement un accroissement du CO2.
Les combustibles fossiles sont :
le charbon
les produits pétroliers
le gaz naturel
La déforestation : une forêt mature est un réservoir important de carbone. La disparition de surfaces toujours plus grandes de forêt au profit de cultures ou de pâturages (emmagasinant une quantité moindre de matière organique), a pour effet d'augmenter les rejets de CO2 dans l'atmosphère. En effet, la pousse de jeunes arbres ne peut plus absorber autant de carbone qu'en génère la dégradation des arbres morts.
l'utilisation des CFC dans les systèmes de réfrigération et de climatisation (réglementée par le Protocole de Montréal) conduit aussi à des rejets préoccupants, notamment du fait de durées de vie dans l'atmosphère particulièrement longues.
Le protoxyde d'azote et le méthane sont également pris en compte dans les accords internationaux.
La non prise en compte de l'ozone dans les accords internationaux est due à des difficultés pratiques et non à une absence d'influence sur le climat. Il faut signaler que l'ozone stratosphérique joue un rôle essentiel de protection contre les rayonnements ultraviolets, et son rôle est important en tant que filtre.
Les rejets de méthane8 non naturels sont dus principalement aux ruminants et aux surfaces inondées telles les rizières .On peut imputer à l'augmentation du cheptel de bovidés comme aux décharges, une augmentation des émissions de méthane. Or ce gaz, même s'il se dégrade assez rapidement en CO2, présente un forçage radiatif supérieur et donc un potentiel de réchauffement global accru. Inversement, quand le méthane produit peut être valorisé, il constitue un combustible propre et renouvelable.

Le Protocole de Kyoto s'était donné comme objectif de stabiliser puis réduire les émissions de GES afin de limiter le réchauffement climatique.

 

Emissions naturelles

Le Volcanisme, source de CO2.
Les rejets de méthane naturels par les animaux, tels les termites.
Les surfaces inondées (estuaires, marais) produisent du méthane naturel en lieu et place du CO2

 

Le potentiel de réchauffement global 

Concentrations atmosphériques en volume, durée de séjour et potentiel de réchauffement
des principaux gaz à effet de serre gaz à effet de serre formule concentration
préindustrielle concentration
actuelle durée de séjour
(ans) PRG
à 100 ans
vapeur d'eau H2O 3‰ 3‰ ~0,02 (1-2 semaines) 
dioxyde de carbone CO2 278 ppm 387 ppm12 1513 - 200 
méthane CH4 0,7 ppm 1,7 ppm 414 23
protoxyde d'azote N2O 0,275 ppm 0,311 ppm 120 310
dichlorodifluorométhane (CFC-12) CCl2F2 0 0,503 ppb 13015 6 200 - 7 100
chlorodifluorométhane (HCFC-22) CHClF2 0 0,105 ppb 12 1 300 - 1 400
tétrafluorométhane16 CF4 0 0,070 ppb 50 000 6 500
hexafluorure de soufre SF6 0 0,032 ppb 3 200 22 80017



Dans le premier graphique, les émissions sont pondérées par le potentiel de réchauffement global de chaque gaz (avec 72% de CO2, 18% de méthane, 9 % d'oxydes d'azote et 1 % d'autres gaz).

Chaque GES a un effet différent sur le réchauffement global. Par exemple, sur une période de 100 ans, un kilo de méthane à un impact sur l'effet de serre 25 fois plus fort qu'un kilo de CO2. Alors pour comparer les émissions de chaque gaz, en fonction de leur impact sur les changements climatiques on préfère utiliser des unités communes : l'équivalent CO2 ou bien l'équivalent carbone; plutôt que de mesurer les émissions de chaque gaz.

L'équivalent CO2 est aussi appelé potentiel de réchauffement global (PRG). Il vaut 1 pour le dioxyde de carbone qui sert de référence. Le potentiel de réchauffement global d'un gaz est la masse de CO2 qui produirait un impact équivalent sur l'effet de serre. Par exemple, le méthane a un PRG de 25, ce qui signifie qu'il a un pouvoir de réchauffement 25 fois supérieur au dioxyde de carbone.

Il n'y a pas de PRG pour la vapeur d'eau : la vapeur d'eau en excès réside moins de 2 semaines dans l'atmosphère, dont elle est éliminée par précipitation. Sa contribution au réchauffement sur 100 ans est négligeable.

Pour l'équivalent carbone, on part du fait qu'un kg de CO2 contient 0,2727 kg de carbone. L'émission d'un kg de CO2 vaut donc 0,2727 kg d'équivalent carbone. Pour les autres gaz, l'équivalent carbone vaut :
équivalent carbone = PRG x 0,2727

On peut noter que la combustion d'une tonne de carbone correspond bien à l'émission d'une tonne équivalent carbone de CO2, car le rapport est de 1:1 (il y a un atome de carbone C dans une molécule de CO2).

Cette unité de mesure, utile pour comparer les émissions produites, est utilisée dans la suite de cet article.

 

Mesure des émissions 

Cycle du carbone20source de carbone masse de carbone
émise par an puits de carbone masse de carbone
absorbée par an
carbone fossile env. 5 Gt/an absorption par les océans 2,5 Gt/an
déforestation 2 Gt/an reforestation
autres dégradations de matière organique env. 110 Gt/an photosynthèse env. 110 Gt/an

N.B. la biosphère représente 540 à 610 Gt de carbone ; le sol en retient de 1 500 à 1 600 Gt ; les océans en séquestrent 38 000 à 40 000 Gt, la lithosphère de 66 000 à 100 000 Gt.

Le 3 novembre 2006, l’Organisation météorologique mondiale (OMM) confirmait que les concentrations mondiales de CO2, loin de diminuer, et en dépit du protocole de Kyoto, continuent d'augmenter:
La teneur moyenne de l'atmosphère en CO2 était de 379,1 parts par million (ppm) (0,5% de plus qu'en 2004, et environ + 2,9% depuis 1993). Mais bien que les émissions de dioxyde de carbone aient plus que doublé depuis 1970, la teneur en CO2 n'a augmenté que de 15% depuis lors. Le taux d'augmentation est très variable d'une année sur l'autre.
Le protoxyde d'azote (N2O) a également augmenté passant à 319,2 ppb, (0,2% de plus qu’en 2004, et 2,5 % de plus depuis 1993).

Depuis 2006, la Chine a dépassé les États-Unis pour les émissions de gaz à effet de serre. Les émissions de dioxyde de carbone de la Chine sont de 1,8 milliard de Tonnes Équivalent Carbone, contre 1,59 milliard de tonnes pour les États-Unis, 432 millions de tonnes pour la Russie et 430 millions de tonnes pour l’Inde.
Evolution des émissions de GES des pays du G8, entre 1990 et 200523 Pays Évolution des émissions
de GES (1990-2005)
Russie -28,7 %
Canada 27 %
États-Unis 16,3 %
Italie 12,1 %
Japon 8 %


En France, les émissions ont diminué de 2% entre 2006 et 2007 (103 millions de Tonnes Équivalent Carbone), mais surtout grâce au progrès dans le secteur résidentiel/tertiaire (- 7,8%) et grâce à une météo particulièrement clémente[réf. insuffisante].

 

Durée de séjour 

Hormis la vapeur d'eau, qui est évacuée en quelques jours[réf. nécessaire], les gaz à effet de serre mettent très longtemps à s'éliminer de l'atmosphère. Étant donné la complexité du système atmosphérique, il est difficile de préciser la durée exacte de leur séjour. Ils peuvent en être réduits de plusieurs manières :
par une réaction chimique intervenant dans l'atmosphère : le méthane, par exemple, réagit avec les radicaux hydroxyle naturellement présents dans l'atmosphère pour créer du CO2 ;
par une réaction chimique intervenant à l'interface entre l'atmosphère et la surface du globe : le CO2 est réduit par photosynthèse par les végétaux ou est dissout dans les océans pour former des ions bicarbonate et carbonate (le CO2 est chimiquement stable dans l'atmosphère) ;
par des rayonnements : par exemple, les rayonnements électromagnétiques émis par le Soleil et les rayonnements cosmiques « brisent » les molécules dans les couches supérieures de l'atmosphère. Une partie des halocarbures disparaissent de cette manière (ils sont généralement chimiquement inertes, donc stables lorsque introduits et mélangés dans l'atmosphère).

Voici quelques estimations de la durée de séjour des gaz, c'est-à-dire le temps nécessaire pour que leur concentration diminue de moitié.
Durée de séjour des principaux gaz à effet de serre11gaz à effet de serre formule durée de séjour
(ans) PRG
à 100 ans
vapeur d'eau H2O < 1 8
dioxyde de carbone CO2 1526 - 200 1
méthane CH4 4 23
protoxyde d'azote N2O 120 310
dichlorodifluorométhane (CFC-12) CCl2F2 130 6 200 - 7 100
chlorodifluorométhane (HCFC-22) CHClF2 12 1 300 - 1 400
tétrafluorométhane16 CF4 50 000 6 500
hexafluorure de soufre SF6 3 200 22 80027



Émissions de CO2 dans le monde

Les émissions de CO2 dans le monde ont augmenté de 33,4% entre 1990 et 2006. Entre 2005 et 2006, elles ont augmenté de 3,2%.

La situation est très contrastée selon les zones géographiques. En 2006, les deux pays plus gros émetteurs de CO2 étaient les États-Unis (20,3% des émissions mondiales), suivis de très près par la Chine (20,2%). Toutefois, étant donné le fort taux d'augmentation annuel de la Chine, celle-ci est devenue depuis 2006 le plus gros émetteur mondial de CO2. Dans l'Union européenne, la France est l'un des plus faibles émetteurs, par rapport à sa population, ce qui est dû à une très forte proportion de production d'électricité d'origine nucléaire et hydraulique.

Il y a une forte disparité dans les taux d'augmentation des émissions entre 1990 et 2006 selon les zones géographiques dans le monde. La plus forte augmentation est au Moyen-Orient, avec un taux de +119,6%. Puis c'est l'Extrême-Orient avec +108,6%, mais il faut distinguer dans cet ensemble la Chine qui a une augmentation de +151,7%, et l'Inde de +112,1%. L'Amérique latine a vu ses émissions progresser de +61,2%, et l'Afrique de +55,5%, mais leurs émissions sont encore relativement faibles en valeur absolue (3,5% du total mondial pour l'Amérique latine, et 3,1% pour l'Afrique). L'Océanie a vu ses émissions progresser de +53,4%. L'Amérique du Nord a vu ses émissions progresser de +19%. La seule zone géographique qui a vu ses émissions baisser est l'Europe et l'ex-URSS avec -14,8%, chiffre dû surtout à la Russie et à l'Europe de l'Est, L'union européenne à 15 ayant augmenté de +5,4%.

Les émissions de la France étaient de 6,2 tonnes de CO2 par habitant en 2002, ce qui la plaçait en 50e position dans le monde, comme l'un des pays développés avec les plus faibles émissions par habitant, alors que les États-Unis avaient des émissions de 20,1 tonnes de CO2 par habitant, ce qui les plaçait en 7e position dans le monde.
Émissions de CO2 dans le monde par zone géographiqueEn millions de tonnes de CO2 (et non en T Eq.Carbone) 1990 2005 2006 2007 Part 2006 en % Écart (%) 2005-2006 Écart 1990-2006
Amérique du Nord 5588 6743 6654 6780 23,8 -1,4 +19,0
Canada 432 556 538 573 1,9 -3,1 +24,7
États-Unis 4863 5785 5697 5769 20,3 -1,5 +17,1
Mexique 293 402 416 ? 1,5 +3,5 +42,1
Amérique latine 603 932 978 1016 3,5 +4,3 +61,2
Europe et ex-URSS 7945 6654 6768 6747 24,2 +1,7 -14,8
Union européenne à 27 4063 3979 3988 3926 14,2 +0,1 -2,0
dont : Union européenne à 15 3091 3270 3264 3200 11,6 -0,4 +5,4
Allemagne 950 811 823 798 2,9 +1,5 -13,4
Espagne 206 339 332 345 1,2 -3,5 +59,2
France 352 387 378 369 1,3 -2,4 +7,2
Italie 398 454 455 438 1,6 -1,3 +12,6
Pays-Bas 157 183 178 ? 0,6 -2,4 +13,9
Pologne 344 294 306 ? 1,1 +4,0 -11,0
Royaume-Uni 553 535 536 523 1,9 +0,2 -3,0
Autres pays hors UE à 27 3882 2675 2785 ? 9,9 +4,1 -28,3
dont Russie 2180 1531 1587 1587 5,7 +3,7 -27,2
Afrique 549 832 847 882 3,1 +2,7 +55,5
Moyen-Orient 588 1227 1309 1389 4,6 +5,2 +119,6
Extrême-Orient 4819 9395 10063 10695 35,9 +7,0 +108,6
dont : Chine 2244 5101 5645 6071 20,2 +10,7 +151,7
Corée du Sud 229 469 477 489 1,7 +1,5 +107,6
Inde 589 1161 1244 1324 4,5 +7,7 +112,1
Japon 1071 1228 1202 1236 4,3 -1,2 +13,2
Océanie 281 423 428 432 1,5 +1,8 +53,4
dont : Australie 260 387 394 ? 1,4 +1,9 +51,8
Soutes internationales maritimes et aériennes 613 940 980 ? 3,5 +4,2 +59,7
Monde 20988 27146 28003 ? 100,0 +3,2 +33,4

Méthode d'agrégation des résultats de mesure 

Jean-Marc Jancovici propose dans l'outil de bilan carbone proposé par l'ADEME trois démarches pour agréger les résultats de mesure:
Une approche interne, qui comptabilise les émissions que l'on engendre chez soi.
Une approche « émissions intermédiaires », qui comptabilise les émissions qui correspondent à une partie des processus externes à l'activité, mais qui sont nécessaires pour permettre à l'activité d'exister sous sa forme actuelle. Les émissions intermédiaires sont très importantes dans le cas des activités de services.
Une approche globale, qui estime la pression totale que l'on exerce sur l'environnement en matière de gaz à effet de serre.

 

Notes et références

↑ a, b et c Quels sont les gaz à effet de serre ? [archive]
↑ Une explication détaillée de ce phénomène est disponible sur le site de Jean-Marc Jancovici : Qu'est-ce que l'effet de serre ? [archive]
↑ Contributions of Stratospheric Water Vapor to Decadal Changes in the Rate of Global Warming [archive]
↑ http://www.pensee-unique.fr/rechauffement.html [archive]
↑ Comment évoluent actuellement les émissions de gaz à effet de serre ? [archive], sur le site de Jean-Marc Jancovici
↑ Rapport du GIEC/IPCC, 10ème session du WG, Paris, février 2007, en anglais [archive][pdf]
↑ Quels sont les gaz à effet de serre ? [archive] sur le site de Jean-Marc Jancovici
↑ Les rejets des troupeaux de bovidés ne peuvent être considérés comme naturels puisqu'il s'agit d'agriculture.
↑ Un rapport récent soutient que le secteur de l’élevage représente 9 % du CO2 et 18 % de l'équivalent-CO2 issu de l'activité humaine, soit plus que les transports. Pourtant le carbone impliqué n'est autre que le carbone naturel préalablement capté par la prairie, qui de toutes façons a vocation à être dégradé que ce soit par les animaux d'élevage ou des organismes sauvages.
(en) [pdf] Henning Steinfeld, « Livestock’s Long Shadow – Environmental Issues and Options [archive] », FAO, 2006. Consulté le 5-12-2006
(fr) Christopher Matthews, « L’élevage aussi est une menace pour l’environnement [archive] », FAO, 2006. Consulté le 5-12-2006
↑ Version française du protocole de Kyoto [archive] [pdf]
↑ a et b Source : GIEC
↑ Données du NOAA et du Mauna Loa Observatory (MLO) [archive].
↑ Etude du Prof. Segalstad Nombreuses références [archive]
↑ Bliefert, C.; Perraud, R. Chimie de l'environnement, 2ème édition francaise, p189
↑ Bliefert, C.; Perraud, R. Chimie de l'environnement, 2ème édition francaise, p230
↑ a et b Aussi nommé perfluorométhane.
↑ (en) Intergovernmental Panel on Climate Change, Working Group 1, Climate Change 2007, Chapter 2 [archive].
↑ IPCC,2007, AR4, Chap 2, p212
↑ IPCC,2007, AR4 , Chap 2, p212
↑ d'après (en) Environmental Benefits of Carbon Sequestration [archive]
↑ Mesures du CO2 à Mauna Loa [archive]
↑ (fr) Les émissions de CO2 ont encore augmenté de 3% en 2007 [archive], Greenunivers. Consulté le 24-11-2008
↑ D’après WWF, cité dans « Les pays du G8 épinglés sur leur politique de lutte contre le réchauffement climatique », dans Le Monde du 05/06/2007, [lire en ligne [archive]
↑ Source : rapport du Citepa
↑ Leur modèle est plus complexe qu'une loi de décroissance exponentielle.
↑ Etude du Prof. Segalstad Nombreuses références [archive]
↑ (en) Intergovernmental Panel on Climate Change, Working Group, Climate Change 2007, Chapter  [archive].
↑ Le Portugal, la Suède et la Suisse sont un peu mieux placés
↑ Voir l'article Liste des pays par émissions de dioxyde de carbone par habitant
↑ d'après les statistiques 2010 publiées par le Ministère de l'écologie, de l'énergie, du développement durable et de la mer français [archive] (certaines valeurs des années précédentes ont été modifiées en 2010)
↑ Un outil pour connaître les émissions de gaz à effet de serre d'une entreprise ou administration : le "bilan carbone" de l'ADEME [archive]

 

Voir aussi

Articles connexes

Protocole de Montréal
Protocole de Kyoto
Réchauffement climatique
Bilan radiatif de la Terre
Liste des pays par émissions de dioxyde de carbone par habitant
Liste des pays par émissions de dioxyde de carbone
Finance du carbone
Contenu CO2
Taxe carbone
Bilan Carbone Personnel
Bilan des émissions de gaz à effet de serre

 

Liens externes

(fr) Manicore.com, le site de Jean-Marc Jancovici, l'un des plus détaillés sur les gaz à effet de serre et le réchauffement climatique
(fr) Explication des gaz à effet de serre et calculatrice de l'empreinte en équivalent CO2 des habitudes de vies pour les particuliers
(fr) Calculer la quantité de CO2 rejeté dans l'atmosphère pour le transport de marchandises
(en) Émissions européennes (données : 2005 à 2008)

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