Effet de serre

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Posté par marvin 27/03/2009 @ 06:07

Tags : effet de serre, environnement

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Effet de serre

Joseph Fourier

L'effet de serre est un processus naturel de réchauffement de l'atmosphère. Sur Terre, il intervient dans le bilan radiatif. Il est dû aux gaz à effet de serre (GES) contenus dans l'atmosphère.

Lorsque le rayonnement solaire atteint l'atmosphère terrestre, une partie (environ 28,3 %) est directement réfléchie, c'est-à-dire renvoyée vers l'espace, par l'air, les nuages blancs et la surface claire de la Terre, en particulier les régions blanches et glacées comme l'Arctique et l'Antarctique, c'est l'albédo qui n'est pas représenté sur le schéma. Les rayons incidents qui n'ont pas été réfléchis vers l'espace sont absorbés par l'atmosphère (20,7 %) et/ou la surface terrestre (51 %).

Cette dernière partie du rayonnement absorbée par la surface du sol lui apporte de la chaleur, autrement dit de l'énergie, qu'elle restitue à son tour, le jour comme la nuit, en direction de l'atmosphère sous forme de rayons infrarouges lointains en l'occurrence, dans la plage 8-13 μm principalement. C'est le « rayonnement du corps noir ». Ce rayonnement est alors absorbé en partie par les gaz à effet de serre, ce qui réchauffe l'atmosphère. Puis dans un troisième temps, cette chaleur est réémise dans toutes les directions, notamment vers la Terre.

C'est ce rayonnement qui retourne vers la Terre qui constitue l'effet de serre, il est à l'origine d'un apport supplémentaire de chaleur à la surface terrestre. Sans ce phénomène, la température moyenne sur Terre chuterait d'abord à -18 °C. Puis, la glace s'étendant sur le globe, l'albédo terrestre augmenterait et la température se stabiliserait vraisemblablement à -100 °C.

On peut considérer l'atmosphère comme un réservoir d'énergie. Si l'effet de serre est plus efficace pour retenir l'énergie, en fait ralentir la déperdition de l'énergie, de ce réservoir se remplit - et l'énergie emmagasinée par la surface terrestre augmente.

En moyenne, l'énergie venue de l'espace et reçue par la Terre, et l'énergie de la Terre émise vers l'espace sont quasiment égales. Si ce n'était pas le cas, la température de surface de la Terre augmenterait sans cesse ou diminuerait sans cesse. En effet, si les échanges moyens d'énergie avec l'espace ne sont pas équilibrés, il y aura un stockage ou un déstockage d'énergie par la Terre. Ce déséquilibre provoquerait alors un changement de température de l'atmosphère (voir Réchauffement climatique).

L'effet de serre doit son nom à l'analogie entre l'atmosphère terrestre et une serre destinée à abriter des plantes. Les parois vitrées de la serre laissent entrer le rayonnement visible, qui transporte la majeure partie de l'énergie solaire, mais réfléchissent des rayonnements infrarouges, cause importante des pertes thermiques de tout corps (loi du corps noir). Le verre de la serre joue donc un rôle analogue à celui de l'atmosphère, qui contient les gaz à effet de serre.

Les gaz à effet de serre sont des composants gazeux de l'atmosphère qui contribuent à l'effet de serre. Les principaux gaz à effet de serre sont la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), l'oxyde nitreux (ou protoxyde d'azote, de formule N2O) et l'ozone (O3). Les gaz à effet de serre industriels incluent les halocarbones lourds (fluorocarbones chlorés incluant les CFC, les molécules de HCFC-22 comme le fréon et le perfluorométhane) et l'hexafluorure de soufre (SF6).

Ces gaz ont pour caractéristique commune d'absorber une partie des infra-rouges émis par la surface de la Terre.

La plupart des gaz à effet de serre (GES) sont d'origine naturelle. Mais certains d'entre eux sont uniquement dus à l'activité humaine ou bien voient leur concentration dans l'atmosphère augmenter en raison de cette activité. C'est le cas en particulier de l'ozone (O3), du dioxyde de carbone (CO2) et du méthane (CH4). La preuve que l'augmentation du CO2 atmosphérique est d'origine humaine se fait par analyse isotopique.

La combustion des carbones fossiles comme le charbon, le lignite, le pétrole ou le gaz naturel (méthane) rejette du CO2 en grande quantité dans l'atmosphère : la concentration atmosphérique de gaz carbonique a ainsi légèrement augmenté, passant de 0,030% à 0,038 % en 50 ans. Seule la moitié serait recyclée par la nature, et que l'autre moitié resterait dans l'atmosphère, ce qui augmente l'effet de serre. Un des secteurs d'activités qui dégage le plus de gaz à effet de serre est l'énergie : à ce sujet, voir l'article énergie et effet de serre.

Les activités humaines dégagent donc une abondance de GES : les scientifiques du GIEC qui étudient le climat estiment que l'augmentation des teneurs en gaz d'origine anthropique est à l'origine d'un réchauffement climatique. Ces gaz à effet de serre fonctionnent donc comme une couverture qui maintient une température à la surface de notre Terre et l'empêche ainsi de se refroidir.

En France, selon le groupe Facteur 4, les émissions de gaz à effet de serre proviennent des transports pour 26 %, suivis de l’industrie (22 %), de l’agriculture (19 %), des bâtiments et habitations (19 %), de la production et de la transformation de l’énergie (13 %), et du traitement des déchets (3 %). Depuis 1990, les émissions ont augmenté de plus de 20 % pour les transports et les bâtiments. En revanche, elles ont diminué de 22 % dans l’industrie, de 10 % dans le secteur agricole, de 9 % dans le secteur de l’énergie et de 8 % pour le traitement des déchets. .

L'effet de serre n'est pas en soi nocif aux écosystèmes ; sans lui, la température terrestre avoisinerait les -18 °C. Cependant un excès de GES dépassant la capacité des écosystèmes à les piéger et les absorber est un danger pour la plupart des espèces dites évoluées.

Suivant certains scénarios extrêmes un réchauffement global provoquerait d'abord une augmentation mécanique du volume d'eau de mer par dilatation et par la fonte des calottes polaires, qui engloutirait les terres basses (les îles coralliennes comme les îles Maldives sont les premières menacées), mettant en péril de nombreuses espèces dont peut-être, par acidification des océans, le phytoplancton qui produit 80 % du dioxygène que nous respirons et qui absorbe l'essentiel du dioxyde de carbone dissous dans l'eau de mer (le CO2 est 60 fois plus présent dans la mer que dans l'air (1,8 % au lieu de 0,03 %) pour un volume grossièrement estimé à 1 370 millions de km³. D'autres conséquences sont attendues, dont une augmentation de la pluviométrie, et la modification des courants marins, ce qui modifierait aussi le niveau moyen des mers avec des conséquences potentiellement désastreuses. Des conséquences plus ou moins difficiles à prévoir risquent de provoquer un véritable changement climatique. Un effet « boule de neige » auto entretenu pourrait être amorcé par la fonte du pergélisol avec évaporation d'hydrates de méthane, s'ajoutant à celui qui pourrait aussi être libéré en mer, ainsi que par l'augmentation des incendies de forêts et d'inondations se traduisant par la méthanisation de matière organique immergée, qui sont autant de facteur de réchauffement.

Certains scientifiques prévoient une augmentation de 1,5 °C à 6 °C pour le siècle à venir en supposant que l'augmentation des rejets de GES continue au rythme des 20 dernières années (on n'a pas observé de ralentissement global des émissions, même depuis Kyoto). Un arrêt total et immédiat des rejets de carbone n'empêcherait cependant pas la température moyenne de la planète de continuer à augmenter pendant plusieurs dizaines à centaines d'années, car certains gaz à effet de serre ne disparaissent de l'atmosphère que très lentement.

Quand il y a une réaction en chaîne, telle que la concentration d'un gaz à effet de serre augmente avec la température, il y a une rétroaction positive ("positive feedback" en anglais). Un autre exemple de rétroaction positive est la diminution de la couverture de glace qui affaiblit l'albédo de la planète et contribue ainsi à augmenter sa température.

Avec le rayonnement de la Terre qui augmente proportionnellement à la puissance quatrième de la température, l'effet de rétroaction doit être très fort pour provoquer un emballement. Si cela se produit et les réactions ne se terminent qu'après avoir produit une grande augmentation de la température, cela s'appelle un emballement de l'effet de serre ("runaway greenhouse effect" en anglais).

Selon l'hypothèse du fusil à clathrates ("clathrate gun" en anglais), un emballement de l'effet de serre pourrait être causé par la libération de méthane à partir des clathrates (hydrates de méthane qui tapissent le fond des océans) suite au réchauffement planétaire. On suppose que l'extinction massive d'espèces lors du Permien-Trias a été causée par un tel emballement . Il est également estimé que de grandes quantités de méthane pourraient être libérées de la toundra sibérienne qui commence à dégeler, le méthane étant 21 fois plus puissant comme gaz à effet de serre que le dioxyde de carbone.

Dans les années 1780, Horace-Bénédict de Saussure mesure les effets thermiques du rayonnement solaire à l'aide de boîtes transparentes qu'il dispose dans la vallée et au sommet d'une montagne.

En 1824, Joseph Fourier publie Remarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires dans lesquelles il affine l'analyse des expériences de Horace-Bénédict de Saussure en concluant « la température du sol est augmentée par l'interposition de l'atmosphère, parce que la chaleur solaire trouve moins d'obstacles pour pénétrer l'air, étant à l'état de lumière, qu'elle n'en trouve pour repasser dans l'air lorsqu'elle est convertie en chaleur obscure ».

La vapeur d'eau et le dioxyde de carbone sont identifiés comme les principaux responsables de cet effet de serre par John Tyndall en 1861. Il suggère alors qu'une modification de la composition de l'atmosphère peut avoir une influence sur l'évolution du climat.

En 1896, Svante August Arrhenius estime, après avoir effectué une simple règle de trois, qu'un doublement de la quantité de dioxyde de carbone devrait augmenter de 4° la température moyenne. Il espère ainsi que l'exploitation du charbon permettra de repousser la prochaine ère glaciaire. Le géologue américain Thomas Chamberlin arrivera indépendamment aux mêmes conclusions.

L'effet de serre est à l'origine des alertes du rapport Brundtland (1987). En France, Jean-Marc Jancovici et Hervé Le Treut ont vulgarisé les risques liés à l'effet de serre depuis les années 1980.

Les études concernant le réchauffement climatique et ses conséquences ont été parmi les plus fournies de l'histoire scientifique inter-disciplinaire. Toutefois, les pressions politiques et les conséquences potentielles pour le lobby industriel lié à l'exploitation des énergies fossiles, que l'adoption de quotas d'émissions carboniques menacerait dangereusement, ont favorisé l'émergence et le développement d'un contre-courant remettant en cause l'interprétation des données.

La plupart des climatologues, tout en reconnaissant les changements induits par le réchauffement climatique et le besoin de prendre des mesures, rejettent le catastrophisme. Certains scientifiques estiment que des îles coralliennes telles que les Maldives pourraient se surrélerver grâce à la croissance des coraux qui pourrait se faire aussi rapidement que la montée des eaux . D'autres ou les mêmes, se basant sur l'histoire de la Terre, estiment qu'à chaque fois la nature a trouvé les réponses appropriées, et que si des espèces sont ou seront conduites à régresser ou disparaître, d'autres apparaîtront et se développeront selon les principes de la sélection naturelle . D'autres répondent à ces mêmes arguments que ces transformations évolutives ont dans le passé duré des dizaines de millions d'années, alors que le changement climatique envisagé aujourd'hui se produira sur un siècle ou deux, avec une intensité inhabituelle pour un délai si court ; délai biologiquement trop bref pour que la nature puisse s'adapter comme elle l'a fait lors des crises d'extinctions passées.

L'effet de serre, en tant que processus naturel, est également observé sur Vénus où la température atteint plus de 460 °C. Cet effet est dû non au dioxyde de carbone, qui constitue pourtant 96% de l'atmosphère, mais à de constituants en très faibles quantités relatives tels que SO2 et H2O. En effet, dans le domaine infrarouge correspondant au maximum d'émission thermique pour un corps à la température de la surface et de la basse atmosphère de Vénus, le CO2 présente des fenêtres de transmission très larges qui ne peuvent piéger efficacement le rayonnement infrarouge. En revanche, SO2 et H2O, bien qu'en très faibles quantités, absorbent les radiations dans ce domaine de longueurs d'onde, tout comme le font également les fines particules d'acide sulfurique qui constituent les nuages.

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Quota d'émission de gaz à effet de serre

Le quota d'émission de gaz à effet de serre, est un mécanisme mis en place suite au protocole de Kyoto qui consiste à fixer une limite d'émission de gaz à effet de serre (CO2) aux entreprises, et de laisser la possibilité aux entreprises ne pouvant respecter cette limite d'acheter des droits à des entreprises vertueuses ayant réussi à émettre moins que la limite. Les entreprises ne disposant pas de suffisamment de droits par rapport à leur émissions se voient facturer une amende non libératoire de 40€ par tonne manquante et doivent tout de même acquérir les tonnes manquantes.

Ce mécanisme européen deviendra mondial en 2008. La valeur du quota d'une tonne d'équivalent CO2 a considérablement diminué sur le marché au comptant Powernext Carbon : elle est passée de 22 euros en janvier 2006 à environ un euro en mars 2007. La faiblesse de ce cours n'encourage pas les industriels à diminuer leurs émissions de dioxyde de carbone.

Chaque nation se dote d'un Plan National d'Allocation des Quotas, allouant à chaque entité un quota d'émissions annuelles. Les entreprises peuvent alors négocier les quotas sur le marché dédié, tel que le Marché de permis européen, donnant lieu à un cours journalier du quota.

Les enjeux liés à la gestion de ces quotas sont considérables sur le plan du développement économique. Le protocole de Kyoto n'a pas été signé par les États-Unis, car ceux-ci estiment qu'il ne leur est pas favorable. Cependant, les États-Unis ne sont pas du tout passifs sur ces questions, qu'ils laissent à l'initiative privée, ou aux échelons des États.

1 140 sites majeurs dans les secteurs du pétrole, de l'électricité, de l'acier ou du ciment sont contraints par ce mécanisme ce qui représente 50% des émissions en France. Pour la période 2005-2007 celles-ci pourront émettre 150,8 millions de tonnes de CO2, contre 155 millions avant 2005, soit une baisse de 2,5%.

Les 50% restants (transport, agriculture, logement) sont couverts par des politiques spécifiques (incitations fiscales, normes…) afin d'atteindre les objectifs fixés par le protocole de kyoto.

La Caisse des dépôts est chargée de la mise en œuvre de ces quotas, avec d'autres organismes (Mission interministérielle de l'effet de serre, Ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie, ADEME, …).

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Projet de réduction d'émissions de gaz à effet de serre

Un projet de réduction d'émissions de gaz à effet de serre est un projet industriel ou forestier visant à lutter contre l’effet de serre. Il est lancé dans le cadre du protocole de Kyōto, afin d'être financé par une application conjointe ou un mécanisme de développement propre.

Le développement de la finance du carbone permet l'apparition de mécanisme de marché visant à promulger les échanges de droits d'émissions (crédits-carbone) entre les pays participant au Protocole de Kyoto.

Les projets de réduction d'émissions dans les nouveaux pays industrialisés peuvent permettre à des entreprises de pays développés de respecter leur normes nationales grâce à des investissements à l'étranger. Cette forme d'investissement est connue sous le terme de mécanisme de développement propre.

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Gaz à effet de serre

Mesure du CO2 atmosphérique par l'observatoire de Mauna Loa à Hawaii.

Les gaz à effet de serre (GES) sont des gaz qui contribuent par leurs propriétés physiques à l'effet de serre. L'augmentation de leur concentration dans l'atmosphère terrestre est très probablement à l'origine du réchauffement climatique.

La vapeur d'eau est à l'origine de 72 %, soit près de 3/4 de l'effet de serre total. Le gaz carbonique est le principal gaz à effet de serre produit par l'activité humaine (55%).

Sous l'effet des GES, l'atmosphère terrestre se comporte comme la vitre d'une serre, laissant entrer une large part du rayonnement solaire, mais retenant le rayonnement infrarouge réémis.

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 21e siècle car ils atténuent le rayonnement infrarouge reçue 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 H20, 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.

Le Protocole de Kyoto se donne comme objectif de stabiliser puis réduire les émissions de GES afin de limiter le réchauffement climatique.

Chaque GES a un effet différent sur le réchauffement global. Par exemple un kilo de méthane à un impact sur l'effet de serre 23 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 une unité commune : l'équivalent CO2 ou 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 23, ce qui signifie qu'il a un pouvoir de réchauffement 23 fois supérieur au dioxyde de carbone.

On peut noter que la combustion d'une tonne de carbone correspond bien à l'émission d'une tonne équivalent carbone de CO2.

Cette unité de mesure est très utile pour déterminer les émissions produites par une entreprise, par exemple. On peut ainsi réaliser un bilan global qui prend en compte les émissions directes (combustions, consommation d'énergie, transports) et indirectes (fabrication et transport des produits sous-traités).

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, 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.

Hormis la vapeur d'eau, qui est évacuée en quelques jours, 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. Voici toutefois quelques estimations de leur durée de séjour, c'est-à-dire le temps nécessaire pour que leur concentration diminue de moitié.

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Source : Wikipedia