L’effet de serre atmosphérique

Mardi 1er avril 2014, par Cédric Ringenbach (ECN 96), Christiane Drevet (ECN 65) // Gestion économique et environnementale

Nous reprenons ici l’excellente étude didactique de Jean-Louis Dufresne et Jacques Treiner relative à l’effet de serre atmosphérique (réf 1).

Dans cet article, les auteurs montrent par un raisonnement simple que, malgré la saturation de l’absorption des infrarouges réémis par la planète par les molécules de gaz à effet de serre (GES), cet effet de serre continue cependant de croître (élévation de la température de surface terrestre), lorsque la concentration de ces GES augmente (c’est le cas du CO2 dans les conditions actuelles). Le mécanisme principal à l’œuvre est le gradient vertical négatif des températures de bas en haut de l’atmosphère, qui y est régi par des échanges convectifs adiabatiques (c’est à dire sans échange thermique avec l’air environnant, l’échelle de temps de la convection étant bien inférieure à celle de la conduction thermique). Le modèle simple utilisé ici permet de « toucher du doigt » le mécanisme physique qui est à l’œuvre dans les codes de calcul radiatifs détaillés « maille à maille » des spécialistes du climat, repris dans les rapports successifs du GIEC.

I) Modèle de l’effet de serre atmosphérique parfait

Dans ce premier modèle, destiné à montrer la nature et la réalité de l’effet de serre terrestre, plusieurs hypothèses simplificatrices ont été prises :


- L’atmosphère est à température homogène et laisse passer l’essentiel du rayonnement solaire incident et réfléchi par la terre.
- les gaz à effet de serre dans l’atmosphère (GES) absorbent la totalité du rayonnement infrarouge réémis par la terre.
- les molécules de GES renvoient à leur tour vers la terre et l’espace leur propre rayonnement infrarouge, sans atténuation.
- les émissions infrarouges de la terre vers l’atmosphère et des GES de l’atmosphère vers l’espace et la terre se font selon la loi de puissance du corps noir en σT4, avec T température des zones émissives en °K (Kelvin) et σ constante de Stefan-Boltzmann.

Si S est la puissance émise par le soleil et arrivant sur le système atmosphère-terre ;

Si A est l’albédo mesuré de la terre pour le rayonnement solaire incident (rapport entre la puissance réfléchie vers l’espace et la puissance incidente), AS étant ainsi la puissance réfléchie par la terre vers l’espace ;

Et si Ta et Ts sont les températures respectives de l’atmosphère et de la surface terrestre, on a, à l’équilibre, égalité des puissances aux interfaces :

- à l’interface atmosphère-espace

(1-A) S = σTa⁴

- à l’interface atmosphère-surface terrestre

(1-A) S+ σTa⁴ = σTs⁴, soit 2 σTa⁴ = σTs⁴

La température d’équilibre de surface terrestre Ts est 2 puissance 1/4 fois plus élevée que celle de l’atmosphère Ta.

Application numérique :

La valeur généralement admise pour la puissance moyenne incidente solaire est : S = 342 W/m2. L’albédo de la terre A a été mesuré et est pris égal à 0,30. Il en résulte Ta = -18°C, Ts = 30°C.

Cette élévation de température d’équilibre de la sur-face de la terre est ce que l’on appelle communément effet de serre dû à l’atmosphère. En effet, en l’absence d’atmosphère, Ts = Ta = -18°C, pour un même albédo terrestre de 0,30. On constate qu’à ce stade, n’interviennent ni la nature et les concentrations des divers GES, ni la hauteur de l’atmosphère. La valeur de 30°C est surestimée du fait des hypothèses simplificatrices prises (elle est plus exactement de 15°C environ), mais elle permet de comprendre qualitativement la nature du phénomène.

En réalité, l’atmosphère n’est pas totalement transparente aux rayonnements solaires incident et réfléchi, elle n’est pas opaque complètement au rayonnement terrestre infrarouge, sa température n’est pas homogène, car elle diminue lorsque l’altitude augmente. Ce sont ces principaux effets qui vont être maintenant repris, après un retour sur les propriétés d’absorption des molécules H2O et CO2, premières responsables comme nous allons le voir de l’effet de serre atmosphérique.

II) Principaux gaz à effet de serre de l’atmosphère terrestre – H2O et CO2

Les résultats des codes radiatifs complets mis en œuvre par les spécialistes du climat montrent que les deux principaux gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère terrestre sans nuages sont la vapeur d’eau H2O (pour 60%) et le dioxyde de carbone CO2 (pour 26%). Les autres contributions sont celles de l’Ozone (pour 8%) et de l’ensemble protoxyde d’azote N2O et méthane CH4 (pour 6%). Les auteurs se sont donc focalisés à juste titre dans leur étude sur les molécules H2O et CO2.

III) Propriétés d’absorption par H2O et CO2 du rayonnement infrarouge émis par la terre

1) Dépendance spectrale de l’absorptivité des molécules H2O et CO2

Les figures 1 et 2 représentent la dépendance spectrale de l’absorptivité de H2O et CO2 dans une atmosphère actuelle et sans nuages, dans la gamme spectrale de l’essentiel de l’émission infrarouge de la terre (4 à 40 µm). Les variables y sont également les concentrations en CO2 (en ppm) et en vapeur d’eau H2O en kg/m2 (moyennée sur toute la hauteur de l’atmosphère et par unité de surface terrestre).

On y constate trois faits :

- Pour le CO2 en rouge (fig1), l’absorptivité est totale ou saturée (égale à 1) dans 2 bandes autour de 5 et 15 µm. Ailleurs, elle est quasi-nulle. Elle ne varie pas avec la concentration de CO2, de 180 ppm (valeur en vigueur lors des périodes glaciaires) à 720 ppm, qui est presque deux fois la concentration actuelle (400 ppm).

Pour la vapeur H2O en bleu (fig 1), l’absorptivité est totale dans la plage 5-8 µm, et au-delà d’environ 16 µm. Ailleurs, dans la plage 8-16 µm, elle est largement inférieure à 1 mais varie avec la concentration de vapeur d’eau dans l’atmosphère terrestre (cette valeur est actuellement de 25 kg/m2). En faisant varier (fig2) cette moyenne de 5 à 40 kg/m2, qui couvre la gamme des valeurs observées entre les différentes latitudes, on constate en effet un accroissement de l’absorptivité, permettant un accroissement de l’effet de serre dû à ce gaz, dans cette gamme de fréquence des infrarouges.

- L’examen des absorptivités comparées de H2O et CO2 (fig 1) montre bien que c’est H2O qui est dominant dans l’effet de serre résultant. Par contre, c’est bien le CO2 qui est la cause de l’augmentation anthropique de l’effet de serre, le H2O n’augmentant en proportion que très peu avec les activités humaines, par rapport aux valeurs pré-industrielles.

2) Absorptivités de H2O et CO2 intégrées sur le spectre d’émission infrarouge de la terre

Les figures 3 et 4 représentent les absorptivités de H2O et de CO2 en fonction de leur concentration dans l’atmosphère, obtenues en pondérant l’absorptivité à chaque longueur d’onde par le flux du rayonnement émis par la surface de la terre à cette longueur d’onde. Le spectre d’émission terrestre par mètre carré de sol est représenté par une courbe en cloche de corps noir à 25°C, d’émission maximum à 10 µm.
- Pour H2O, la figure 3 montre que l’absorptivité intégrée augmente avec la quantité moyennée sur la verticale de la vapeur d’eau, exprimée en kg/m2, grâce à l’augmentation de l’absorptivité dans la fenêtre d’absorption faible de la gamme 8-16 µm. En deçà des 2 kg/m2, où les bandes d’absorption entre 6 et 8 µm et au-delà des 16 µm ne sont pas encore saturées, la pente est encore plus forte. Il en résulte de toute façon une augmentation de l’effet de serre avec la concentration en vapeur d’eau, comparable à celle que l’on obtient avec les modèles radiatifs détaillés.

- Pour le CO2, la figure 4 montre qu’au-delà de la valeur à laquelle l’absorption par la bande à 15 µm devient saturée (quelques dizaines de ppm), l’absorptivité intégrée n’augmente plus avec la concentration de CO2, alors que les modèles radiatifs détaillés montrent une augmentation de l’effet de serre. Nous verrons plus loin où est l’erreur.

IV) Accroissement de l’effet de serre pour une atmosphère dont l’absorptivité est saturée

Pour raisonner simplement, les auteurs ont choisi le cas d’école d’une atmosphère où l’absorptivité des GES est saturée dans tout le domaine spectral de l’émission infrarouge terrestre, et où ce rayonnement infrarouge émis par la terre est totalement absorbé par les basses couches de l’atmosphère.

1) Notion d’altitude d’émission de l’atmosphère

Prenons le cas de référence où l’atmosphère peut être décomposée en 2 grandes couches, comme sur la figure 5 a) : la première aux basses altitudes où le rayonnement infrarouge réémis par les GES n’atteint jamais l’espace, car il est absorbé totalement par les couches situées au-dessus. Cette zone est dite aveugle pour l’espace. Dans la 2nde partie, les rayonnements élémentaires réémis par les différentes sous-couches atteignent l’espace de façon partielle, mais d’autant moins atténués que ces sous-couches sont proches de l’espace. La somme de ces rayonnements, Fir, constitue le rayonnement global infrarouge envoyé par l’atmosphère vers l’espace, c’est celui qui est vu par les radiomètres à bord des satellites. A cette puissance Fir, on peut associer une température Te d’émission de corps noir, et définir ainsi « l’altitude d’émission » Ze comme celle où la température de l’atmosphère est justement Te. Sur terre, cette altitude d’émission est de 3 à 8 km pour les domaines spectraux correspondant aux bandes saturées de H2O et du CO2.

2) Accroissement de l’altitude d’émission avec la concentration de GES

Sur la figure 5 b), du fait de l’augmentation de concentration des GES par rapport au cas de référence, le rayonnement infrarouge réémis par ces GES est absorbé sur des distances plus courtes que précédemment. La partie de l’atmosphère aveugle augmente, et l’altitude d’émission augmente. En raison du gradient thermique de l’atmosphère (imposé par les mouvements convectifs adiabatiques), la température d’émission diminue, ainsi que la puissance du rayonnement infrarouge réémis vers l’espace.

3) Accroissement de l’effet de serre avec la concentration de GES

Nous sommes maintenant prêts à réécrire l’équilibre des puissances, comme dans le chapitre II) relatif à l’effet de serre atmosphérique parfait, mais cette fois aux altitudes d’émission de l’atmosphère à l’équilibre.

- Dans le cas de référence, on peut ainsi écrire à l’équilibre : FS = (1-A) S = Fir1 = σT₁⁴. On retrouve alors le résultat T1 = -18°C, du cas de l’effet de serre atmos-phérique parfait, mais cette fois correspondant à l’altitude Z1 de l’atmosphère, qui n’est plus homogène (figure 6 a).

- Dans le cas où la concentration de GES augmente, on a vu que l’altitude d’émission change, prenant une valeur Z₂ supérieure à Z₁, alors que la température d’émission diminue, prenant une valeur T2 inférieure à T1. A cette altitude, la puissance incidente FS = (1-A) S devient alors supérieure à la puissance infrarouge réémise vers l’espace Fir2 = σT₂4, et on a maintenant à l’altitude Z2 un déséquilibre des puissances (figure 6 b). En conséquence, le haut de l’atmosphère se réchauffe, et du fait des mouvements de convection adiabatique, ce réchauffement se propage à toute l’atmosphère, y compris à la surface terrestre, tout en conservant constant le gradient vertical de température, jusqu’à ce qu’un nouvel équilibre des puissances soit atteint (figure 6 c).

Il y a bien dans ce cas augmentation de l’effet de serre, puisque toutes les couches de l’atmosphère, y compris la surface terrestre (à l’altitude zéro) voient leur température augmenter.

V) Conclusion

Nous venons d’expliquer physiquement pourquoi l’effet de serre anthropique dû au CO2 croît quand sa concentration augmente dans l’atmosphère, alors que son absorptivité aux fréquences infrarouges de réémission terrestre y est saturée.

L’absorptivité du CO2 émis dans l’atmosphère par les activités humaines (origine dite anthropique) étant saturée aux conditions actuelles, une analyse au premier degré aurait pu conclure à une saturation de son émissivité, et partant, de l’effet de serre, lorsque sa concentration augmente. Mais ceci est en contradiction avec les calculs radiatifs détaillés maille à maille élaborés par les spécialistes du climat.

Jean-Louis Dufresne et Jacques Treiner ont alors réussi à montrer, grâce au modèle simplifié qu’ils ont établi dans une publication récente (réf 1) et repris ici, que le mécanisme physique à l’œuvre expliquant cette réalité physique est bien la convection adiabatique dans les couches de l’atmosphère, résultant en un gradient de température vertical négatif constant des hautes pressions (la surface terrestre) vers les basses pressions (la haute atmosphère).

Dans les évaluations numériques radiatives complètes des codes prospectifs d’évaluations de l’effet de serre, codes repris dans les rapports du GIEC, bien d’autres facteurs ignorés sciemment dans le modèle simplifié des auteurs rentrent cependant en ligne de compte. Citons quelques-uns de ces facteurs :

- Les GES H2O (d’origine naturelle) et CO2 (d’origine anthropique), principaux responsables de l’effet de serre, sont en mélange et leurs spectres d’absorption se recouvrent.

- Le gradient vertical de température change de signe dans la stratosphère vers 20 km ; Des considérations plus complètes des auteurs montrent que globalement, la stratosphère a un comportement neutre sur l’effet de serre lorsque le taux de CO2 varie.

- Des phénomènes de rétroaction (positive ou négative) de l’effet de serre existent, tels que :

• l’augmentation de la teneur en vapeur d’eau dans l’atmosphère avec la température, renforçant l’effet de serre.

• la modification du gradient vertical de température avec la teneur en vapeur d’eau, diminuant l’effet de serre.

• le changement des nuages, de la couverture de neige et de glace, l’effet des aérosols, modifiant l’effet de serre.

• la diminution des puits de carbone avec la température, en particulier celui de l’océan.

Notons que parmi tous ces facteurs, les principales causes d’incertitudes, chiffrées dans les calculs radiatifs complets, à émissions de GES anthropiques données, restent le rôle des nuages, des aérosols et de la concentration en vapeur d’eau.

Il n’est pas inutile de rappeler que la plus grande incertitude, et de loin, des codes prospectifs du climat, repris dans les rapports du GIEC, porte sur le comportement futur de l’humanité relativement à ses émissions de GES, et principalement de CO2, directement reliées à l’utilisation des énergies fossiles (gaz, pétrole, charbon).

Les principales voies de diminution de l’utilisation des énergies fossiles sont :

• la diminution des consommations énergétiques d’origine « fossile ».

• l’amélioration de l’efficacité énergétique des combustions « fossiles ».

• le recours aux énergies plus faiblement émettrices en CO2 (renouvelables et nucléaire).

Et ceci dans toutes les composantes des activités humaines (chauffage, isolation des bâtiments, transports, processus industriels, électricité,…). Notons également l’augmentation des puits de carbone par reforestation, apte à diminuer la concentration de CO2 dans l’atmosphère.

(réf 1) : l’effet de serre atmosphérique : plus subtil qu’on ne le croit ! , de Jean-Louis Dufresne (Institut Pierre-Simon Laplace) et Jacques Treiner (université Pierre et Marie Curie), paru en février 2011, dans le n° 72 de La Météorologie.

Retrouvez également cet article dans le Flash n°39.