L’effet de serre est un processus naturel résultant de l’influence de l’atmosphère sur les différents flux thermiques contribuant aux températures au sol d’une planète. La prise en compte de ce mécanisme est nécessaire pour expliquer les températures observées à la surface de la Terre et de Vénus. Dans le système solaire, l’essentiel de l’énergie thermique reçue par une planète provient du rayonnement solaire et, en l’absence d’atmosphère, une planète rayonne idéalement comme un corps noir, l’atmosphère d’une planète absorbe et réfléchit une partie de ces rayonnements modifiant ainsi l’équilibre thermique. Ainsi l’atmosphère isole la Terre du vide spatial comme une serre isole les plantes de l’air extérieur.

L’usage de l’expression effet de serre s’est étendu dans le cadre de la vulgarisation du réchauffement climatique causé par les gaz à effet de serre qui bloquent et réfléchissent une partie du rayonnement thermique. Or le bilan thermique d’une serre s’explique essentiellement par une analyse de la convection et non du rayonnement : la chaleur s’accumule à l’intérieur de la serre car les parois bloquent les échanges convectifs entre l’intérieur et l’extérieur. Aussi, le terme scientifique, utilisé par la communauté des climatologues pour décrire l’influence des gaz à effet de serre, composants de l’atmosphère bloquant le rayonnement infrarouge, sur le bilan thermique de la Terre, est forçage radiatif.

Les températures terrestres résultent d’interactions complexes entre les apports solaires perturbés par les cycles de l’orbite terrestre, de l’effet albédo de l’atmosphère, des courants de convection dans l’atmosphère et les océans, du cycle de l’eau et le forçage radiatif de l’atmosphère notamment.

Historique

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 ».

En 1857, Eunice Newton Foote publie Circumstances affecting the Heat of the Sun’s Rays dans la revue The American Journal of Science and Arts. Elle décrit une expérience où elle mesure la température interne de cylindres de verre, exposés au Soleil et remplis de différents mélanges gazeux. Elle découvre que le dioxyde de carbone retient particulièrement bien la chaleur et conclut que « une atmosphère constituée de ce gaz donnerait à notre Terre une haute température ». Oubliée, sa contribution scientifique est redécouverte en 2011.

En 1861, John Tyndall identifie à son tour les principaux responsables de ce mécanisme : la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone. 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 propose la première estimation de l’impact du niveau de dioxyde de carbone sur les températures terrestres. Il estime qu’un doublement de la quantité de dioxyde de carbone devrait augmenter de 4 °C la température moyenne. Il espère ainsi que l’exploitation du charbon permettra de surmonter la prochaine ère glaciaire due à l’orbite terrestre. Le géologue américain Thomas Chrowder Chamberlin arrivera indépendamment aux mêmes conclusions.

En 1909, Robert Williams Wood montre que contrairement à une idée reçue le blocage du rayonnement infrarouge par le verre n’est pas le principal mécanisme qui explique le fonctionnement d’une serre. Par conséquent le terme scientifique, adopté par le GIEC, utilisé pour décrire l’influence des composants de l’atmosphère bloquant le rayonnement infrarouge sur le bilan thermique de la Terre est forçage radiatif et non effet de serre.

L’expression synthétique effet de serre provient de la vulgarisation au début des années 1980 des résultats alarmants des recherches climatologiques. Alors que les climatologues analysent l’impact du dioxyde de carbone sur le climat sans parler d’effet de serre, les premières alertes pour infléchir les décisions politiques sont lancées au début des années 1980 en utilisant cette expression, reprise par la suite dans des rapports de plus en plus médiatisés, comme le 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.

Fonctionnement d’une serre

Articles détaillés : Serre et Robert Williams Wood.

Contrairement à une idée reçue, et comme le suggère ce nom, l’effet de serre, sous-entendu le mécanisme lié à l’absorption et à l’émission de radiations thermiques par le verre, n’est pas primordial dans le fonctionnement d’une serre. En 1909, Robert Williams Wood a réfuté par l’expérience cette explication. En remplaçant le verre qui recouvre une serre par du halite, un matériau totalement transparent aux infrarouges, Robert Wood mesure une augmentation similaire de température dans les deux cas. Aussi l’augmentation de température dans une serre ne s’explique pas par le fait que le verre réfléchit les infrarouges. L’expression « effet de serre » a néanmoins été conservée dans l’usage courant. Mais le terme scientifique, utilisé par la communauté scientifique pour décrire l’influence des composants de l’atmosphère bloquant le rayonnement infrarouge sur le bilan thermique de la Terre, est forçage radiatif.

Le fonctionnement d’une serre s’explique essentiellement par une analyse de la convection et non du rayonnement : la chaleur s’accumule à l’intérieur de la serre car les parois bloquent les échanges convectifs entre l’intérieur et l’extérieur.

Mécanisme sur Terre

Article détaillé : Bilan radiatif de la Terre.

Lorsque le rayonnement solaire atteint l’atmosphère terrestre, une partie (environ 30 %) est directement réfléchie, c’est-à-dire renvoyée vers l’espace, par l’air, les nuages blancs et la surface claire de la Terre (on pense évidemment aux régions blanches et glacées comme l’Arctique et l’Antarctique, mais il ne faut pas en surestimer le rôle : leur position aux pôles fait qu’elles reçoivent peu d’énergie solaire^{[réf. souhaitée]}) ; l’albédo est la mesure de cet effet de miroir. Les rayons incidents qui n’ont pas été réfléchis vers l’espace sont absorbés par l’atmosphère (20,7 %) et la surface terrestre (51 %).

Cette dernière partie du rayonnement absorbée par la surface du sol lui apporte de la chaleur qu’elle restitue à son tour, le jour comme la nuit, en direction de l’atmosphère. Le transfert de chaleur entre la Terre et l’atmosphère se fait, conformément au deuxième principe de la thermodynamique, du chaud (la terre) vers le froid (l’atmosphère) ; il se fait par convection (réchauffement et humidification de l’air au contact du sol puis ascension de cet air et libération de la chaleur latente de la vapeur d’eau lorsqu’elle se condense en nuages) et sous forme de rayonnements infrarouges lointains (dans la plage 8–13 μm principalement, correspondant au « rayonnement du corps noir » pour la température du sol). L’effet de serre ne s’intéresse qu’à ces rayonnements, qui seront absorbés en partie par les gaz à effet de serre, ce qui contribue à réchauffer l’atmosphère. Puis dans un troisième temps, cette chaleur contenue par l’atmosphère est réémise dans toutes les directions ; une partie s’échappe vers l’espace, mais une autre partie retourne vers la Terre et vient en déduction de l’apport de chaleur de la surface vers l’atmosphère, donc s’oppose au refroidissement de la surface. Il est à noter que l’excès de chaleur généré par les activités humaines, via l’effet de serre, est absorbé à 93 % par l’océan, qui atténue ainsi l’augmentation de la température dans l’atmosphère. L’océan global joue donc un rôle de thermostat planétaire et de contrôle des grands équilibres naturels planétaires.

Sans effet de serre (ce qui implique notamment : sans vapeur d’eau et sans nuages), et à albédo constant, la température moyenne sur Terre chuterait à −18 °C. Mais à cette température la glace s’étendrait sur le globe, l’albédo terrestre augmenterait, et la température se stabiliserait vraisemblablement en dessous de −50 °C (voir glaciation Varanger).

Une représentation schématique et simplifiée des échanges d’énergie entre l’espace, l’atmosphère terrestre, et la surface de la Terre.

Si la majorité des rayonnements solaires traversent l’atmosphère pour toucher le sol (en rouge), la plus grande partie du rayonnement émis pas la Terre n’est pas transmise (en bleu) mais absorbée par l’atmosphère (en gris). L’absorption des rayons infrarouges est principalement due à la vapeur d’eau.

Les gaz à « effet de serre »

Article détaillé : 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 (sans perdre de vue que l’atmosphère contient d’autres composants non gazeux qui contribuent à l’effet de serre, comme les gouttes d’eau des nuages sur Terre). Ces gaz ont pour caractéristique commune d’absorber une partie des infrarouges émis par la surface de la Terre.

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).

Contributions approximatives à l’effet de serre des principaux gaz, d’après le GIEC:

Effets des activités humaines

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 leur concentration dans l’atmosphère augmente 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. Par contre, ce dernier gaz rejeté dans l’atmosphère ne participe que pour 40 % à l’effet de serre additionnel provenant de l’activité humaine.

Répartition des gaz à effet de serre anthropiques (dus aux activités humaines):

Nom	Formule	Contribution à l’effet de serre (hors H2O)	Équivalent CO₂	Durée de vie
Dioxyde de carbone	CO₂	76,7 %	1 ×	100 ans
Méthane	CH₄	14,3 %	20 ×	12 ans
Protoxyde d’azote	N₂O	7,9 %	200 ×	5 000 ans
Hexafluorure de soufre	SF₆	1,1 %	2 000 ×	50 000 ans

L’ozone est fourni en grande quantité par l’activité industrielle humaine, alors que les CFC encore largement utilisés détruisent, eux, l’ozone, ce qui fait que l’on peut constater un double phénomène :

une accumulation d’ozone dans la troposphère au-dessus des régions industrielles ;
une destruction de l’ozone dans la stratosphère au-dessus des pôles.

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 augmenté de 120 ppm, passant de la valeur pré-industrielle de 280 à 400 ppm aujourd’hui. Un des secteurs d’activités qui dégagent le plus de gaz à effet de serre est l’énergie : à ce sujet, voir l’article énergie et effet de serre. Ces combustibles augmentent, de plus, la concentration de gaz à effet de serre, car ils étaient enfouis dans le sol depuis des milliers d’années ce qui a rompu l’équilibre. Il s’agit d’un ajout additionnel de gaz carbonique dans l’atmosphère qui n’est pas non plus complètement compensé par une assez grande absorption : seule la moitié serait recyclée par la nature ; l’autre moitié resterait dans l’atmosphère et augmenterait l’effet de serre.

La seconde cause d’émission de gaz à effet de serre est la déforestation, qui est responsable à elle seule de 20 % des émissions mondiales. Les déboisements les plus importants concernent les trois grandes forêts tropicales que sont la forêt amazonienne, la forêt du bassin du Congo, et la forêt indonésienne. Il s’agit d’une des plus grandes causes, car tout le carbone absorbé par ces arbres est rediffusé dans l’air. S’il y avait replantation, cette quantité de dioxyde de carbone serait réabsorbée par un autre arbre, mais sans replantation, alors il n’y a qu’un ajout de la quantité de ce gaz dans l’air.

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.

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.

Dans le cadre de la réduction des émissions de gaz à effet de serre engendré par la circulation automobile, une étude réalisée pour le PREDIT a montré l’influence des politiques de stationnement sur les possibilités de limiter la génération de gaz à effet de serre. La démarche concerne les émissions liées à la construction de places de stationnement, à l’exploitation des parkings et surtout à la mobilité induite par l’offre de stationnement.

Émission de gaz à effet de serre.

L’élevage (bovin, notamment en Argentine) est une des sources de méthane (modélisation/Nasa).

Hypothèse de l’emballement de l’effet de serre

On craint au pire le déclenchement d’un effet « boule de neige » (rétroaction positive), où le réchauffement conduirait à un réchauffement encore accru, via la disparition des glaces (réduction de l’albédo) et surtout la libération de stocks naturels de GES actuellement fixés par le pergélisol, les hydrates de méthane marins, ou encore la biomasse.

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 hypothesis 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) à la suite du réchauffement climatique. 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.

Une telle hypothèse reste toutefois hautement improbable : des études récentes ont en effet prouvé que l’hydrate de méthane du fond des océans était stable, et que celui contenu dans le pergélisol n’avait que peu de chance de s’en échapper.

Conséquences pour l’environnement

L’effet de serre n’est pas en soi nocif aux écosystèmes ; sans lui, la Terre ne serait qu’une boule de glace où la vie ne serait pas possible, car il n’y aurait pas d’eau liquide. Le danger pour les écosystèmes réside plutôt dans la variation trop rapide et trop importante des conditions climatiques pour que la plupart des espèces dites évoluées puissent s’adapter aux changements de température et de pluviométrie. Des écosystèmes marins et littoraux pourraient également être touchés par une hausse du niveau de la mer, par la modification des courants marins et par les caractéristiques physico-chimiques de l’eau de mer (acidité, taux de gaz dissous…).

Les populations humaines seraient évidemment touchées par le réchauffement climatique, la hausse du niveau de la mer entrainant la disparition d’importantes métropoles et de vastes portions de pays. En outre, une hausse des températures aide à la prolifération des insectes propageant des maladies infectieuses, qui survivent mieux dans des milieux chauds et humides.

Le GIEC envisage, selon les scénarios, des augmentations 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. Au lieu d’un ralentissement global des émissions depuis la signature du protocole de Kyoto, celles-ci continuaient à augmenter à un rythme croissant en 2018. 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 centaines d’années, car certains gaz à effet de serre ne disparaissent de l’atmosphère que très lentement.

Effet de serre sur les autres planètes

Effet de serre sur Vénus

Sur Vénus l’effet de serre a porté la température à plus de 460 °C. Une étude affirme que cet effet ne serait pas dû au dioxyde de carbone qui constitue 96 % de l’atmosphère, mais à des 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 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. Vénus, plus proche (72,3 %) du Soleil que la Terre, reçoit ainsi près du double (191 %) de l’énergie solaire reçue par celle-ci.

D’autres études contredisent cependant ce point et mettent en avant le rôle essentiel du CO₂ dans l’effet de serre vénusien.

Effet de serre sur Mars

L’atmosphère de Mars contient une grande proportion de CO₂, néanmoins l’atmosphère de la planète est trop fine pour avoir un impact significatif sur la température (estimé à moins de +5,5 °C). CO₂ constituant environ 96 % en volume (et quasiment autant en masse) de l’atmosphère martienne, sa pression partielle est approximativement égale à la pression totale atmosphérique de 600 Pa, tandis que cette pression partielle sur Terre est d’environ 40 Pa. Sur Terre, la fraction molaire de CO₂ dans l’air est seulement de 0,04 % en volume (0,06 % en masse).

Confusion entre effet de serre et trou dans la couche d’ozone

L’effet de serre et le réchauffement climatique qu’il induit sont assez souvent confondus avec l’altération de la couche d’ozone. Il s’agit pourtant de deux phénomènes bien distincts, le premier concernant la rétention dans l’atmosphère des infrarouges (autrement dit de la chaleur) ; le second concernant l’augmentation de la transparence de l’atmosphère aux ultraviolets. Par ailleurs, si les principaux responsables de l’altération de la couche d’ozone, à savoir les CFC (chlorofluorocarbures, interdits dans les pays industriels dès 1989) sont aussi des gaz à effet de serre, l’inverse n’est pas vrai : les gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone et le méthane n’ont aucun effet sur la couche d’ozone.

Forçage radiatif

En climatologie, le forçage radiatif est approximativement défini comme la différence entre l’énergie radiative reçue et l’énergie radiative émise par un système climatique donné. Un forçage radiatif positif tend à réchauffer le système (plus d’énergie reçue qu’émise), alors qu’un forçage radiatif négatif va dans le sens d’un refroidissement (plus d’énergie perdue que reçue).
Ce terme prend une définition légèrement différente et possède une importance capitale dans les questions liées aux changements climatiques. À température constante, la terre émet autant d’énergie qu’elle en reçoit ; et un peu plus ou un peu moins lorsque la température change. Or de très nombreux facteurs interviennent dans les échanges d’énergie entre la terre et l’espace. Pour simplifier l’analyse des impacts de chacun de ces facteurs, le concept de forçage radiatif est utilisé par les scientifiques pour mesurer la propension d’un de ces facteurs à garder sur Terre l’énergie provenant du soleil ou à la renvoyer dans l’espace. Par exemple un chiffre positif pour un gaz à effet de serre signifie que celui-ci contribue à réchauffer l’atmosphère en renvoyant des infrarouges vers la Terre, et un chiffre négatif pour les aérosols signifie que ces particules, en empêchant le rayonnement solaire d’atteindre la terre, contribuent à la refroidir. Le forçage radiatif, appliqué au réchauffement climatique, mesure donc la propension d’un facteur à perturber l’équilibre énergétique de la Terre (voir partie Usage par le GIEC).

Équilibre radiatif

L’énergie radiative affectant le climat de la Terre provient du Soleil. Le sol de la planète et son atmosphère absorbent et réfléchissent une partie de cette énergie, alors qu’une autre partie est réémise vers l’espace. L’équilibre entre l’énergie absorbée et l’énergie radiative émise détermine la température moyenne. La planète est plus chaude qu’elle ne le serait en l’absence d’atmosphère. La concentration en dioxyde de carbone affecte l’apport énergétique de l’atmosphère ; une approximation au premier ordre donne :

$\Delta F=5.35\times \ln {C \over C_{0}}$

où C est la concentration en CO₂ en parties par million en volume, ppm(v) ou ppmv, et C₀ une concentration de référence, par exemple, 280 ppm(v) pour la concentration en CO₂ au seuil de l’ère industrielle. ΔF est la variation du forçage radiatif en watts par mètre carré.

L’équilibre radiatif peut être modifié par des facteurs, tels que l’intensité de l’énergie solaire, le réfléchissement des rayons par les gaz ou nuages, l’absorption par divers gaz ou surfaces, et l’émission de chaleur par différents matériaux. Une telle modification est un forçage radiatif, qui va induire un nouvel équilibre. En pratique, cela se produit en permanence, alors que les rayons solaires frappent la surface, les nuages et aérosols se forment, la concentration des différents gaz atmosphériques varie, et les saisons altèrent la couverture du sol.

La relation entre le CO₂ et le forçage radiatif est logarithmique, donc une augmentation de la concentration a un effet de plus en plus petit. Les modèles algorithmiques, tels que ceux utilisés et cités par le GIEC, incluent des mécanismes de boucle, tant positifs que négatifs ; l’effet net est d’accroître l’augmentation de température due au CO₂ par un facteur approximatif de C/C₀ = 2 dans la plupart des modèles, soit ΔF = +3,71 W/m². La relation entre forçage radiatif et hausse des températures est donnée par la valeur de la sensibilité climatique.

Définitions

Pour le GIEC

Le terme forçage radiatif est employé par le GIEC avec le sens spécifique d’une perturbation du bilan radiatif du système climatique de la Terre. Sa définition est donnée dans le document « Extrait du rapport accepté par le groupe de travail I, questions fréquentes », p. 107 (FAQ 2.1, encadré 1):

« Qu’est-ce que le forçage radiatif ?
Le forçage radiatif mesure l’impact de certains facteurs affectant le climat sur l’équilibre énergétique du système couplé Terre/atmosphère. Le terme « radiatif » est utilisé du fait que ces facteurs modifient l’équilibre entre le rayonnement solaire entrant et les émissions de rayonnements infrarouges sortant de l’atmosphère. Cet équilibre radiatif contrôle la température à la surface de la planète. Le terme forçage est utilisé pour indiquer que l’équilibre radiatif de la Terre est en train d’être déstabilisé. Le forçage radiatif est généralement quantifié comme « le taux de transfert d’énergie par unité surfacique du globe, mesuré dans les hautes couches de l’atmosphère », et il est exprimé en « watts par mètre carré » (W/m², voir figure 2). Un forçage radiatif causé par un ou plusieurs facteurs est dit positif lorsqu’il entraîne un accroissement de l’énergie du système Terre/atmosphère et donc le réchauffement du système. Dans le cas inverse, un forçage radiatif est dit négatif lorsque l’énergie va en diminuant, ce qui entraîne le refroidissement du système. Les climatologues sont confrontés au problème ardu d’identifier tous les facteurs qui affectent le climat, ainsi que les mécanismes de forçage, de quantifier le forçage radiatif pour chaque facteur et d’évaluer la somme des forçages radiatifs pour un groupe de facteurs. »

Changement du forçage radiatif entre 1750 et 2005 tel qu’estimé par le GIEC

Ce concept permet de quantifier de manière simple l’impact de très nombreux facteurs sur le réchauffement climatique. Cependant il est un instantané. Pour évaluer, par exemple, l’impact dans le temps d’un gaz à effet de serre (GES), il faut tenir compte de sa durée de vie dans l’atmosphère. C’est ce que fait le Potentiel de réchauffement global.

Pour la France

Pour le vocabulaire officiel de l’environnement (tel que défini par la commission d’enrichissement de la langue française en 2019), l’expression «forçage radiatif » (« radiative forcing » pour les anglophones) est définie comme suit : « Écart entre le rayonnement solaire reçu par une planète et le rayonnement infrarouge qu’elle émet sous l’effet de facteurs d’évolution du climat, tels que la variation de la concentration en gaz à effet de serre ». La commission ajoute que :

« Le forçage radiatif est calculé au sommet de la troposphère et il est exprimé en watts par mètre carré (W/m²). »
« Un forçage radiatif positif contribue à réchauffer la surface de la planète tandis qu’un forçage radiatif négatif contribue à la refroidir. »

Mesures associées

Le forçage radiatif est utilisé comme une manière de comparer différentes causes de perturbations dans un système climatique. D’autres outils possibles peuvent être conçus dans le même but. Par exemple, la proposition de Shine et al. : …des expériences récentes montrent que pour des changements des aérosols absorbants et de l’ozone, la capacité prédictive du forçage radiatif est bien pire… nous proposons une alternative, le « forçage troposphérique et stratosphérique ajusté ». Nous présentons des calculs GCM (Global Climate Model, Modèle climatique mondial) montrant que cet outil permet des prédictions significativement plus fiables des variations de la température de surface de ce modèle que le forçage radiatif. C’est un candidat pour compléter le forçage radiatif en tant qu’outil de comparaison de différents mécanismes…

Dans cette citation, comme dans toutes les déductions des modèles GCM, l’expression capacité prédictive peut être source d’erreur : il s’agit de la capacité de l’outil à expliquer la réponse du modèle, pas de la capacité du modèle de prédire le changement climatique.

Sensibilité climatique

La sensibilité climatique caractérise l’évolution de la température de l’atmosphère terrestre en réponse à un forçage radiatif donné. C’est un paramètre de la modélisation du réchauffement climatique.
Elle ne prend cependant pas en compte les rétroactions du cycle du carbone. La réponse à l’équilibre du système peut donc être encore plus importante que ne l’indique la sensibilité du système Terre. Depuis la fin des années 2000 des études tentent d’aborder le problème d’un autre point de vue pour résoudre cette difficulté.

Bien que la sensibilité du climat soit généralement utilisée dans le contexte du forçage radiatif par le dioxyde de carbone, elle est considérée comme étant une propriété générale du système climatique : le changement de température de surface à la suite d’un changement d’une unité de forçage radiatif, est ainsi exprimée en °C par (W/m²) (la densité surfacique de puissance).

La sensibilité du climat au CO₂ est souvent exprimée comme la variation de température en °C associée à un doublement de la concentration de dioxyde de carbone dans l’atmosphère terrestre.

Pour un modèle climatique global couplé atmosphère-océan, la sensibilité du climat est une propriété émergente : ce n’est pas un paramètre du modèle, mais la résultante d’une combinaison de facteurs physiques et de paramètres du modèle.

Il est également possible d’estimer la sensibilité du climat à partir d’observations, notamment paléoclimatologiques, mais cela est difficile en raison des incertitudes sur les forçages et sur l’histoire des températures.

Définition

λ = ΔT / ΔF

Forçage radiatif

En climatologie, le forçage radiatif est défini comme la différence entre l’énergie radiative reçue et l’énergie radiative émise par un système climatique donné. Un forçage radiatif positif tend à réchauffer le système (plus d’énergie reçue qu’émise), alors qu’un forçage radiatif négatif correspond à un refroidissement (plus d’énergie perdue que reçue). Le forçage radiatif est généralement mesuré en W/m² (densité surfacique de puissance). Des équivalences (notamment exprimées en nombre d’explosions de bombes atomiques à la seconde), ont cependant été développées pour la communication au grand public par les scientifiques. Le forçage anthropique actuel est équivalent à l’énergie développée par l’explosion d’environ quatre à cinq bombes d’Hiroshima par seconde¹ [sachant que 1 kt TNT (kilotonne de TNT) = 4,184 TJ (térajoules ou 10¹² J) et qu’une bombe d’Hiroshima = ~15 kt TNT = ~62,76 TJ ; donc 4 à 5 bombes par seconde correspondent à une puissance comprise entre 251 et 314 TW (térawatts ou 10¹² W) ; la surface de la Terre étant de 5,1 10¹⁴ m², la densité surfacique de puissance correspondante est donc comprise entre 0,492 et 0,616 W/m²]. En unité SI, le déséquilibre est connu avec une marge d’erreur assez importante, qui est due en partie à l’évolution rapide des forçages (notamment des aérosols). Ainsi le forçage se situe sans doute aux alentours de +0,6 W/m², plus précisément, +0,58 ± 0,15 W/m².

Le forçage radiatif anthropique est souvent pris en première approximation comme étant seulement dû au forçage par la concentration de CO₂. En effet, les aérosols, qui génèrent un forçage négatif (−1,6 ± 0,3 W/m²), équilibrent de manière approximative le forçage positif provoqué par les autres gaz à effet de serre (CH4CH₄, N₂O , autre…).

Rétroactions

La réponse brute à un doublement de la concentration de CO₂ est de 1,2 °C. Des rétroactions modifient cependant cette valeur.

Rétroactions rapides

Rétroaction de la vapeur d’eau

La teneur en vapeur d’eau évolue avec le réchauffement. En effet, un air plus chaud peut contenir plus d’humidité. Cette évolution se fait avec une humidité relative fixe, donc une humidité absolue croissante.

Rétroaction des nuages

Elle est très probablement positive.

Gradient thermique

Il augmente dans les régions polaires et diminue dans les régions tropicales, à la suite de la formation du point chaud dans la troposphère tropicale.

Rétroaction lentes

Modification de l’albédo

Les calottes glaciaires et les surfaces enneigées ont un albédo élevé, si elles se rétractent le sol plus sombre sera exposé aux rayonnements solaires. De même, l’évolution de la végétation et/ou des surfaces de déserts modifie l’albédo de la Terre.

Perturbation du cycle du carbone

Cette rétroaction n’entre pas en compte dans le calcul de la sensibilité climatique. Cependant, il est probable que sous la contrainte du réchauffement climatique, le cycle du carbone devienne une source de carbone, amplifiant alors un peu plus le réchauffement initial.

Détermination empirique

Calcul à l’aide des données de l’ère industrielle

Rahmstorf (2008) fournit un exemple informel de la façon dont la sensibilité climatique pourrait être estimée de façon empirique, méthode légèrement modifiée ci-après.

Notons la sensibilité, c’est-à-dire l’augmentation à l’équilibre de la température moyenne mondiale, y compris les effets des rétroactions dues au forçage maintenu à la suite d’un doublement du CO₂ (pris à +3,7 W/m²), par x °C.

Si la Terre devait faire l’expérience d’un changement de température à l’équilibre de ΔT (°C) en raison d’un forçage soutenu de ΔF (W/m²), alors on peut dire que

x / (ΔT) = (3,7 W/m²) / (ΔF), c’est-à-dire que x = ΔT × (3,7 W/m²) / ΔF.

L’augmentation de la température mondiale depuis le début de l’ère industrielle (prise en 1750) est d’environ +0,8 °C, et le forçage radiatif dû au CO₂ et d’autres gaz à effet de serre à long terme (principalement le méthane CH₄, l’oxyde nitreux (ou protoxyde d’azote) N₂O, et les chlorofluorocarbures) émis depuis ce temps, est d’environ +2,6 W/m². Négliger les autres forçages et considérer l’augmentation de la température comme étant une augmentation à l’équilibre aboutirait à une sensibilité d’environ +1,1 °C.

Cependant, ΔF contient également des contributions dues aux aérosols (−1 W/m²), et d’autres influences moindres, notamment solaire, qui s’annulent approximativement, ce qui porte le forçage total sur la période industrielle à +1,6 W/m² selon les meilleures estimations, mais avec une forte incertitude. En outre, le fait que le système climatique n’est pas à l’équilibre doit être pris en compte, ce qui est fait en soustrayant le taux d’absorption thermique planétaire H au forçage, c’est-à-dire, x = ΔT × (3,7 W/m²) / (ΔF – H). En prenant un taux d’absorption thermique planétaire comme égal au taux d’absorption thermique de l’océan, estimé par les mesures ARGO à 0,6 W/m², on obtient une valeur de x de +3 °C.

Les chiffres sont cependant très incertains, et permettent plutôt de vérifier en première approximation que l’évolution actuelle est cohérente avec ce qu’il est connu du système climatique, le fait de tomber sur la valeur exacte étant plus un hasard qu’autre chose.

Calcul en utilisant les données de l’époque glaciaire

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Estimations par les modèles

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Sensibilité de Charney

C’est la sensibilité à court terme. Elle vaut +0.75 °C/(W/m²). Cette valeur a été établie depuis les années 1970 par le Comité d’évaluation des effets du dioxyde de carbone sur le climat dirigé par Jule Gregory Charney. Cette valeur a été confirmée au fil du temps, et de multiples lignes d’évidences (modélisations, paléoclimatologiques, observations actuelles) donne la même valeur⁷. Elle correspond à un réchauffement de +3 °C en réponse au doublement de la concentration de CO₂. Elle est peu variable en fonction des conditions initiales. En cas de forçage plus important, elle tend à augmenter de 20% environ.

Sensibilité du système Terre

Elle est plus variable et dépend des conditions initiales. Longtemps considérée de +3 °C, elle est maintenant estimée à +4 °C ou +5 °C environ dans l’état actuel des choses, mais pourrait monter jusqu’à +6 °C. L’écart avec les prévisions des décennies précédentes vient du fait que le rôle des nuages avait été sous-estimé. La sensibilité climatique prend en compte les rétroactions lentes, et représente donc une situation d’équilibre à très long terme (à échelle humaine de temps, c’est-à-dire plusieurs dizaines de milliers d’années).

En juillet 2020, une étude publiée dans Reviews of Geophysics resserre l’estimation entre 1,5 °C et 4,5 °C avec une confiance de 66%, ou bien entre 2,3 °C et 4,7 °C avec une confiance de 90%. Elle s’appuie sur 3 volets, l’étude du réchauffement actuel de +1,1 °C qui exclut de fait un réchauffement trop faible, une compréhension des effets réchauffants des nuages qui semble moins important dans les parties de l’atmosphère plus chaudes que la moyenne qu’anticipé, et sur l’étude de deux périodes historiques : il y a 20 000 ans, au plus fort de la dernière période glaciaire, et une période chaude il y a 3 millions d’années, la dernière fois que les niveaux de CO2 dans l’atmosphère étaient similaires à ceux d’aujourd’hui. L’équipe travaille avec les statistiques bayésiennes qui permettent aux incertitudes à chaque étape d’alimenter le résultat final.

Historique

Cette valeur est un enjeu à elle seule. En effet, si elle est faible, elle implique que l’Homme a peu d’impact sur son climat. Ainsi, certains scientifiques dont R. Spencer et R. Lindzen ont tenté de montrer que la sensibilité climatique était faible. Ces recherches, notamment sur l’effet iris, n’ont cependant jamais vraiment convaincu les climatologues les plus influents.

Forçage et émissions anthropique

Pour prévenir une évolution catastrophique du climat (disparition des calottes glaciaires notamment), la sensibilité du système Terre doit être considérée. De ce point de vue, la valeur cible du forçage radiatif est à peu près équivalente à celle d’une concentration de 350 ppm en volume de CO₂. Étant donné le caractère inédit de la rapidité et de l’ampleur du forçage anthropique, il est cependant difficile de savoir quelle est la tolérance du système à un dépassement de cette valeur (l’atmosphère contient déjà plus de 400 ppm de CO₂, en hausse rapide). Actuellement, en raison de l’ampleur du forçage anthropique, le système réagit bien plus rapidement que prévu. Pour prévenir une évolution qui pourrait avoir des impacts fortement négatifs sur notre civilisation, la sensibilité de Charney doit être considérée. En effet, elle déterminera le réchauffement sur le siècle en cours. De ce point de vue, la valeur cible du forçage radiatif est à peu près équivalente à celle d’une concentration de 450 ppm en volume de CO₂. Étant donné la persistance des émissions anthropiques, il devient très improbable d’éviter ce seuil. Pour pouvoir prendre en compte les rétroactions du cycle du carbone, une autre méthode, considérant le cumul des émissions de CO₂, a été développée. Avec cette approche, le seuil de +2 °C, souvent considéré comme une valeur cible dans le rapports du GIEC, est probablement déjà virtuellement dépassé en tenant compte des rétroactions du cycle du carbone.

Potentiel de réchauffement global

Le potentiel de réchauffement global ou PRG (en anglais, global warming potential ou GWP) est un facteur de conversion qui permet de comparer l’influence de différents gaz à effet de serre sur le système climatique. Il est utilisé pour prédire les impacts relatifs de différents gaz sur le réchauffement climatique en se fondant sur leurs propriétés radiatives et leur durée de vie.

Cet outil donne le plus souvent des estimations correctes (bon ordre de grandeur, précision acceptable pour orienter des décisions de nature politique) à condition qu’il soit utilisé conformément aux hypothèses qui l’accompagnent, en particulier la période considérée et les scénarios d’évolution des diverses concentrations atmosphériques. Dans le cas contraire, le PRG est souvent imprécis voire totalement faux lorsqu’il est exploité en dehors de son champ d’application.

Concept

Le pouvoir réchauffant de différents gaz, par rapport à un kilogramme de dioxyde de carbone et pour une durée considérée de 100 ans comme suit :

dioxyde de carbone, CO₂ : 1 ;
méthane, CH₄ : 28 ;
protoxyde d’azote, N₂O : 265;
hexafluorure de soufre, SF₆ : 23 500.

Le potentiel de réchauffement global est un indice de comparaison associé à un gaz à effet de serre (GES), qui quantifie sa contribution marginale au réchauffement climatique comparativement à celle du dioxyde de carbone, cela sur une certaine période choisie. En d’autres termes, le PRG d’un gaz est le rapport entre les effets causés par la libération en début de période d’une masse donnée de ce gaz et ceux causés par la même masse de dioxyde de carbone (CO₂). Par définition, le potentiel de réchauffement global du CO₂ est donc toujours égal à 1. Les effets respectifs sont volontairement calculés sur une période choisie au-delà de laquelle les effets résiduels sont ignorés (c’est-à-dire l’effet de serre de la quantité de gaz qui n’est pas encore décomposée ou recyclée après ce délai, aussi grande soit-elle). Cette période (ou au minimum sa durée) doit être mentionnée lorsque le potentiel de réchauffement global est cité, faute de quoi sa valeur est dépourvue de sens. Néanmoins, la période la plus fréquemment utilisée est celle de 100 ans.

La masse d’équivalent CO₂ correspondant à un mélange de plusieurs GES peut être estimée par la somme de leurs potentiel de réchauffement global (calculés sur la même période) multipliés par les masses respectives. Le potentiel de réchauffement global associé à ce mélange peut être estimé par la moyenne des potentiel de réchauffement global pondérée par les masses respectives. Ces estimations sont d’autant meilleures que les quantités des gaz à effet de serre sont faibles.

Utilisation selon le Protocole de Kyoto

Selon le protocole de Kyoto, la « Conférence des parties » a décidé que les valeurs de PRG calculées dans le deuxième rapport d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) doivent être retenues afin de convertir les diverses émissions de gaz à effet de serre en unités comparables d’équivalent CO₂, lors des calculs globaux de sources et de puits.

Calcul

Notions en jeux et hypothèses

Le GIEC donne des valeurs du potentiel de réchauffement global généralement acceptées, lesquelles ont légèrement changé entre 1996 et 2001³. Une description précise de la manière dont le PRG est calculé est disponible, en anglais, dans le troisième rapport d’évaluation.

La contribution instantanée au réchauffement d’un GES est fonction de sa concentration dans l’atmosphère : c’est le forçage radiatif (exprimé en W/m²).

L’efficacité radiative est la contribution marginale (en W/m²/kg). Elle exploite la dérivée du forçage radiatif pour quantifier une variation de la contribution par rapport à une variation de la masse.

Pour calculer la contribution sur une période $[0,TH]$ de l’émission instantanée d’une unité du gaz (x) à t=0, il faut

disposer d’un scénario précisant l’évolution des concentrations de (x) au cours du temps afin de déterminer l’évolution de l’efficacité radiative de (x) ;
connaître le mécanisme d’élimination progressives du gaz afin de déterminer la masse résiduelle au cours du temps.

La contribution d’une unité du gaz (x) est alors l’intégrale du produit des deux fonctions précédentes.

Définition

En France, pour le vocabulaire officiel de l’environnement (tel que défini par la Commission d’enrichissement de la langue française en 2019), dans le domaine Environnement-Énergie-Climat, l’expression « potentiel de réchauffement climatique » (également appelé « pouvoir de réchauffement global ») est définie comme l’« indice obtenu en divisant le forçage radiatif résultant d’une masse de gaz à effet de serre émis, par celui de la même masse de dioxyde de carbone, les effets de ces gaz étant considérés sur une période identique ». Cette expression est proposée comme l’équivalent de l’anglais « global warming potential ».

Pour les modélisateurs et évaluateurs, le potentiel de réchauffement global est défini comme étant le rapport entre la contribution d’une unité du gaz (x) et la contribution d’une unité du gaz de référence (r), en l’occurrence le CO₂ :

$PRG\left(x\right)={\frac {\int _{0}^{{TH}}a_{x}\left(t\right)\cdot \left[x\left(t\right)\right]dt}{\int _{0}^{{TH}}a_{r}\left(t\right)\cdot \left[r\left(t\right)\right]dt}}$

Dans cette formule,

$TH$ est l’horizon temporel au cours duquel le calcul est considéré ;
$a_{x}\left(t\right)$ est l’efficacité radiative, causée par l’augmentation d’une unité du gaz dans l’atmosphère (en W m^-2 kg^-1) ; et
$\left[x\left(t\right)\right]$ est la dégradation en fonction du temps du gaz en question à la suite de son émission instantanée à t=0.
Le dénominateur contient les valeurs correspondantes pour le gaz de référence (r), en l’occurrence le CO₂.
L’efficacité radiative pour un gaz donné, $a_{x}\left(t\right)$ ou $a_{r}\left(t\right)$ , dépend de la concentration (scénario) qui généralement varie dans le temps.

Propriétés

Si la concentration observée du CO₂ s’avère être supérieure à celle qui est admise dans le scénario qui est à la base du calcul du PRG, alors le PRG réel sera supérieur au PRG calculé. Ceci provient de la décroissance de l’efficacité radiative du CO₂ lorsque sa concentration augmente : il faudra donc plus de CO₂ pour compenser un même effet du gaz (x).

Limitations

Dans son application, le potentiel de réchauffement global (PRG) présente plusieurs limites dont il faut tenir compte, ceci d’autant plus que son utilisation est très simple.

Le PRG d’un gaz est un indice marginaliste qui s’applique à une masse relativement faible en comparaison de la masse totale de ce gaz dans l’atmosphère. Par exemple, on commet une erreur significative si on utilise le PRG pour évaluer une masse équivalente de CO₂ de la totalité du méthane de l’atmosphère.
La période de calcul des effets radiatifs doit être respectée. Puisqu’on ignore les effets qui sont postérieurs, les valeurs numériques d’un PRG peuvent varier fortement selon la durée choisie, ceci parce que les vitesses d’élimination progressives des gaz sont très diverses.
Le calcul d’un PRG se base implicitement sur un scénario d’évolution des concentrations des GES concernés, tout particulièrement le CO₂.

Ces limites proviennent directement du modèle sur lequel se base l’évaluation du PRG.

La non linéarité des effets radiatifs du CO₂, qui ne sont pas proportionnels à sa concentration atmosphérique. Il en va de même pour le méthane (CH₄) et le protoxyde d’azote (N₂O). Les efficacités radiatives $a_{x}\left(t\right)$ et $a_{r}\left(t\right)$ sont alors affectées par les concentrations respectives, d’où la nécessité de se baser sur un scénario d’évolution des concentrations, puis de limiter les perturbations (substitution théorique d’une masse de GES par une autre masse de CO₂).
La stabilité des divers GES varie d’un gaz à l’autre, ce qui affecte le coefficient $\left[x\left(t\right)\right]$ qui diminue plus ou moins rapidement avec le temps.
Pour cette même raison, la durée de la période de calcul des effets radiatifs influence le PRG. Celui du méthane diminuera rapidement avec la durée car ce gaz est beaucoup plus instable que le CO₂ : un calcul sur une durée extrêmement longue conduit à un PRG quasi nul pour le méthane.

Importance de l’horizon temporel

Le potentiel de réchauffement global (PRG) d’un gaz dépend de la durée au cours de laquelle il est calculé. Un gaz qui est rapidement éliminé de l’atmosphère peut avoir un effet initial important, mais qui décroît rapidement. Ainsi, le méthane possède un potentiel de 25 sur un siècle, mais de 72 sur 20 ans ; à l’opposé le PRG de l’hexafluorure de soufre est de 22 000 sur 100 ans mais de « seulement » 15 100 sur 20 ans. La valeur du PRG d’un gaz dépend de la vitesse de son élimination progressive au cours temps. Souvent, cette donnée n’est pas connue précisément et les valeurs de ces PRG ne peuvent pas être considérées exactes. Pour cette raison, il est important de toujours donner ses références lors des calculs et de leur présentation.

L’horizon temporel le plus fréquemment utilisé par les autorités est de 100 ans.

Valeurs

La durée de séjour du dioxyde de carbone dans l’atmosphère est estimée à environ 100 ans. Son potentiel de réchauffement global (PRG) vaut exactement 1 puisque ce gaz est l’étalon de base.

Un potentiel de réchauffement global n’est d’ordinaire pas calculé pour la vapeur d’eau, principalement parce que cela n’est pas pertinent ; voir gaz à effet de serre.

Bilan radiatif de la Terre

Le bilan radiatif de la Terre dresse un inventaire de l’énergie reçue et perdue par le système climatique de la Terre, sol–atmosphère–océans.

L’apport d’énergie provient principalement du Soleil, celle produite à l’intérieur de la Terre représentant à peine 0,01 % de l’énergie totale reçue par la surface de la Terre. On parle ainsi de bilan radiatif car l’énergie thermique provient principalement du rayonnement solaire, les autres entrées énergétiques étant négligeables. Le rayonnement solaire reçu par les couches les plus élevées de l’atmosphère est d’environ 340 W/m² en moyenne annuelle¹. Le Soleil étant une étoile de type G2, son spectre d’émission s’étend de 0,2 à 4 micromètres, c’est-à-dire de l’ultraviolet à l’infrarouge en passant par le visible.

Énergie reçue

La puissance totale entrante dans le système sol-atmosphère-océan est estimée à 174 péta watts (PW). Ce flux est composé de :

rayonnement solaire (99,97 %, soit 173 PW) :
- cette quantité est calculée en estimant que le rayonnement solaire moyen possède une densité énergétique égale à 1 361 W/m2 à une distance de une unité astronomique, et que ce rayonnement est intercepté par la surface terrestre dont le disque apparent a une superficie de 1,27 × 10¹⁴ m². L’énergie ainsi reçue, répartie sur l’ensemble du globe terrestre, correspond à une puissance moyenne d’environ 340 W/m²,
- le système sol-atmosphère-océan n’absorbe pas toute cette énergie incidente, une partie est réfléchie (voir effet albédo, fonction du sol, des océans, des nuages, des glaces et donc du climat, avec des effets rétroactifs ou amplificateurs importants très complexes, d’autant plus qu’on cherche une grande précision). Environ 30 % de l’énergie solaire reçue est réfléchie sans être absorbée,
- le rayonnement solaire n’est pas constant (voir cycle solaire) et il n’est pas connu avec une précision plus grande qu’à près d’un watt par mètre carré ;
géothermie : la puissance issue de l’activité radioactive à l’intérieur de la Terre représente à peu près 0,025 % de la puissance totale reçue, environ 44,2 térawatts ;

combustibles fossiles et fission radioactive réalisées par l’homme : ils représentent 0,009 %, soit 15 TW⁴. L’énergie totale utilisée à partir des sources commerciales d’énergie entre 1880 et 2000, y compris le pétrole fossile et l’énergie nucléaire, est estimée à 13,9 × 10²¹ joules;
les frictions dues aux marées : 0,002 % soit 3 TW.

Spectres de puissance du rayonnement solaire au sommet de l’atmosphère et au sol.

Évolution de la puissance thermique d’origine radiogénique au cours du temps dans les couches internes de la Terre.

Échanges entre l’espace, la surface terrestre et l’atmosphère

Le bilan radiatif de la Terre est globalement nul, c’est-à-dire que la quantité d’énergie absorbée est égale à la quantité d’énergie réémise, si bien que la température moyenne est sensiblement constante. Plus précisément, le rayonnement reçu par la Terre (essentiellement solaire) est globalement réémis. Le bilan global est cependant légèrement positif, du fait de la chaleur issue de la Terre elle-même, modifiée par la chaleur dégagée ou absorbée par les océans⁵, sur des temps de l’ordre du millénaire.

Le rayonnement solaire incident, estimé à 342 W/m², se répartit en :
- 107 W/m² réfléchis par l’atmosphère (77 W/m²) et par la surface terrestre (30 W/m²). L’albédo moyen du système Terre-atmosphère est de 31 %, c’est-à-dire que 31 % du rayonnement reçu par le sommet de l’atmosphère sont réfléchis par l’atmosphère, les nuages ou la surface de la Terre (océans, neige, etc.), sans changement de longueur d’onde. Le reste est effectivement absorbé par la surface terrestre ou l’atmosphère sous forme de chaleur ;
- 67 W/m² directement absorbés dans l’atmosphère par les molécules d’air et les nuages. Les ultraviolets sont absorbés en grande partie par l’ozone (O₃) et les infrarouges par la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone (CO₂). La lumière visible est absorbée en partie par les nuages, mais elle atteint majoritairement la surface de la Terre ;
- 168 W/m² absorbés par la surface terrestre (océans et continents).
L’atmosphère reçoit 519 W/m² répartis comme suit :
- 67 W/m² de la part du rayonnement solaire incident, comme mentionné ;
- 78 W/m² absorbés par l’évaporation de l’eau. L’énergie correspondante est convertie en chaleur latente d’évaporation et libérée dans l’atmosphère lorsque la vapeur d’eau se condense pour former des nuages ;
- 24 W/m² par convection de l’air à la surface terrestre. Cet apport d’énergie constitue l’essentiel de l’apport de chaleur de la troposphère, c’est le flux de chaleur sensible^{[réf. nécessaire]}. En effet, les infrarouges et les ultraviolets sont absorbés en grande partie dans la stratosphère et le visible n’est presque pas absorbé par les molécules d’air ;
- 350 W/m² par absorption du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre.

Ces 519 W/m² sont réémis ainsi :

324 W/m² sont émis par rayonnement infrarouge pour réchauffer la surface terrestre ;
195 W/m² sont émis par rayonnement infrarouge vers l’espace.

La surface terrestre reçoit 492 W/m² répartis comme suit :
- 168 W/m² proviennent du rayonnement solaire parvenant à la surface terrestre ;
- 324 W/m² proviennent de l’atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge.

Ces 492 W/m² sont réémis comme suit :

78 W/m² par évaporation de l’eau de la surface des océans ;
24 W/m² par convection de l’air à la surface de la Terre ;
350 W/m² sont émis par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge vers l’atmosphère ;
40 W/m² sont émis par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge vers l’espace.

L’espace reçoit 342 W/m² répartis comme suit :
- 107 W/m² réfléchis par l’atmosphère et la surface terrestre ;
- 195 W/m² émis par l’atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge vers l’espace ;
- 40 W/m² émis par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge vers l’espace.

Les deux derniers forment le rayonnement sortant à grande longueur d’onde.

Bilan des échanges thermiques entre l’espace, l’atmosphère et la surface terrestre.

Température moyenne de la Terre

La Terre n’étant pas à petite échelle et à court terme en équilibre thermique, la définition d’une température moyenne de la Terre nécessite de la considérer dans sa globalité et à long terme. De ce point de vue, la surface terrestre émet 390 W/m² par rayonnement infrarouge. Cette quantité permet d’attribuer à la surface terrestre une température moyenne théorique en assimilant la Terre à un corps noir. La loi de Stefan-Boltzmann permet en effet de déterminer la température d’un tel corps à partir de la quantité de rayonnement qu’il émet, selon la formule : $M=\sigma T^{4}$

avec : M : puissance émise par unité de surface (W/m²) ; T : température du corps en kelvins ; $\sigma$ = 5,670 367(13) × 10⁻⁸ W⋅m⁻² ⋅K⁻⁴ : constante de Stefan-Boltzmann.

Pour M = 390 W/m², la formule donne une température de +15 °C. Cette valeur correspond à une température théorique radiative de la surface terrestre, appelée température effective. Le rayonnement infrarouge émis vers l’espace est de 235 W/m² et correspond à une température théorique de −19 °C. La différence entre la puissance émise par la surface terrestre et la puissance émise vers l’espace, à savoir 155 W/m², correspond à l’effet de serre, qui porte également le nom de forçage radiatif. D’origine naturelle, il réchauffe donc la surface terrestre d’environ 30 °C, dont 20 °C sont attribués à la vapeur d’eau dans l’atmosphère et 10 °C au CO₂.

Dans ce modèle simplifié, la température effective n’est que la transcription en kelvins d’une émission moyenne d’énergie, sur la globalité de la Terre,

sans tenir compte des disparités de température locale entre les pôles et l’équateur, ou selon les saisons.

Impact de l’effet de serre

Exemple d’estimation de l’évolution de la part de la chaleur respectivement accumulée par le sol, l’océan superficiel et profond (par rapport aux sols, en rouge), ici depuis 1960.

Exemple d’estimation de l’évolution de la part de la chaleur respectivement accumulée par le sol, l’océan superficiel et profond (par rapport aux sols, en rouge), ici depuis 1960. Article connexe : circulation thermohaline.

Le phénomène de réchauffement climatique récemment constaté est dû à l’augmentation de la concentration en gaz à effet de serre, qui accentue à la fois l’absorption directe de la lumière infrarouge émise par le Soleil (mais pas forcément l’absorption globale Terre-atmosphère) et le forçage radiatif consécutif à l’absorption de l’énergie provenant de la Terre. L’augmentation globale de la température est entraînée par un léger déséquilibre du bilan radiatif : la quantité d’énergie absorbée par le système Terre/océan-atmosphère devient légèrement supérieure à celle réémise vers l’espace, si bien que la température moyenne augmente tant que perdure ce déséquilibre, en vertu du principe de conservation de l’énergie.

L’augmentation du forçage radiatif anthropique entre 1750 et 2011 est évaluée à 2,29 (1,13 à 3,33) W/m² par le cinquième rapport du GIEC.

La notion de température effective est parfois utilisée par les climatosceptiques pour contester les ordres de grandeur d’évolution de la température moyenne globale de la terre exploitant des modèles radiatifs. Ces travaux ont suscité de nombreuses critiques.

Gaz à effet de serre

Les gaz à effet de serre (GES) sont des composants gazeux qui absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre^{n 1} et contribuent ainsi à l’effet de serre. L’augmentation de leur concentration dans l’atmosphère terrestre est l’un des facteurs à l’origine du réchauffement climatique. Un gaz ne peut absorber les rayonnements infrarouges qu’à partir de trois atomes par molécule, ou à partir de deux si ce sont deux atomes différents.

Principaux gaz à effet de serre

Les principaux gaz à effet de serre (GES) naturellement présents dans l’atmosphère sont:

la vapeur d’eau (H₂O) et les gouttelettes d’eau des nuages, qui sont à l’origine de 72 % de l’effet de serre naturel. Le réchauffement climatique accentue l’évaporation de l’eau, ce qui assèche les terres, accroît l’effet de serre et le réchauffement des océans ;
le dioxyde de carbone (CO₂), qui est le principal gaz à effet de serre (en quantité), est à 97 % d’origine naturelle et à 3 % d’origine anthropique, mais ces 3 % représentent 66 % de l’effet de serre anthropique ;
le méthane (CH₄), qui est responsable de 17 % de l’effet de serre anthropique⁴ du fait de son potentiel de réchauffement global élevé égal à 34 fois celui du CO₂ à cent ans (en prenant en compte les rétroactions climatiques), mais qui persiste moins de dix ans dans l’atmosphère. Il est rejeté pour les trois quarts par les humains ;
le protoxyde d’azote (N₂O) ;
l’ozone troposphérique (O₃).

Les gaz à effet de serre industriels comprennent aussi des hydrocarbures halogénés comme :

les hydrochlorofluorocarbures, comme le HCFC-22 (un fréon) ;
les chlorofluorocarbures (CFC) ;
les hydrofluorocarbures (HFC) ;
le tétrafluorométhane (CF₄) ;
l’hexafluorure de soufre (SF₆) et le pentafluorure de soufre trifluorométhyle (CF₃-SF₅).

Effet de serre

Sous l’effet des gaz à effet de serre, l’atmosphère terrestre se comporte grossièrement comme la vitre d’une serre, laissant entrer une grosse partie du rayonnement solaire, mais retenant le rayonnement infrarouge réémis par le sol.

La transparence de l’atmosphère dans le spectre visible permet en effet au rayonnement solaire d’atteindre le sol. L’énergie ainsi apportée s’y transforme en chaleur. De plus, comme tout corps chaud, la surface de la Terre rayonne sa chaleur, dans l’infrarouge. Les GES et les nuages (constitués de glace ou d’eau liquide) étant opaques aux rayons infrarouges, ils absorbent ces rayonnements. Ce faisant, ils emprisonnent l’énergie thermique près de la surface du globe, où elle réchauffe l’atmosphère basse.

L’effet de serre naturel est principalement dû à la vapeur d’eau (pour 0,3 % en volume, soit 55 % de l’effet de serre) et aux nuages (17 % de l’effet de serre), soit environ 72 % dus à H₂O et 28 % restants dus essentiellement au CO₂. Il a porté la température moyenne, à la surface de la Terre, à +15 °C. Sans ce processus naturel, la température moyenne sur la surface du globe serait de −18 °C, ce qui aurait radicalement changé son évolution.

Selon Sandrine Anquetin, du Laboratoire d’étude des transferts en hydrologie et environnement (LTHE) de Grenoble, les scientifiques observent et anticipent une intensification mondiale du cycle hydrologique. Le réchauffement mondial moyen accroît l’évaporation de l’eau, donc l’humidité dans l’atmosphère. Plus l’atmosphère se réchauffe, plus elle stocke et transporte l’humidité. Il convient désormais de comprendre et d’anticiper la déclinaison du cycle de l’eau à l’échelle régionale.

Émissions dues aux activités humaines

Émissions de carbone fossile par sources depuis 1800.

Les concentrations en gaz à effet de serre dans l’atmosphère terrestre augmentent depuis le XIX^e siècle pour des raisons essentiellement anthropiques, avec un nouveau record en 2012 selon l’Organisation météorologique mondiale (OMM). Depuis 1991, selon les estimations de l’Agence internationale de l’énergie, les émissions de gaz à effet de serre du secteur énergétique (toutes sauf celles liées à l’agriculture ou aux incendies, soit 80 % des émissions) ont toujours augmenté d’une année à l’autre, excepté des stagnations en 1992, 1993, 2016 et 2019, et des baisses en 2009 (-1,4 %) et 2015 (-0,3 %).

Par secteurs

Émissions globales de gaz à effet de serre par secteur d’activité.

Statistiques du GIEC

Induites par les activités humaines, les émissions anthropiques directes de gaz à effet de serre proviennent principalement, selon le cinquième rapport d’évaluation du GIEC publié en 2014, des secteurs économiques suivants:

énergie (production d’électricité et de chauffage fournis par les centrales électriques à combustibles fossiles) : 35 %
agriculture (minéralisation du sol, production de méthane due à la riziculture et à la fermentation entérique des ruminants) et exploitation forestière (déforestation, incendies volontaires de forêt et brûlis de cultures) : 24 %
industrie (industrie lourde et manufacturière) : 21 %
transports (marchandises, personnes) : 14 %
bâtiment (construction, entretien, électricité et chauffage des bâtiments résidentiels et non résidentiels) : 6 %.

Le protocole de Kyoto, qui s’était donné comme objectif de stabiliser puis de réduire les émissions de GES afin de limiter le réchauffement climatique, n’a pas tenu ses objectifs.

Émissions dues au numérique

Bien que le numérique (au sens des technologies de l’information et de la communication) ait tendance à être considéré comme « virtuel » ou « immatériel », son empreinte carbone est loin d’être négligeable, en raison de la forte consommation énergétique qu’il implique. Ainsi, il correspondrait à 3,7% des émissions mondiales de gaz à effet de serre en 2018 selon The Shift Project et à 3,8% en 2019 selon GreenIT. Selon The Shift Project, cette part connaît une très forte croissance qui devrait se poursuivre, notamment en raison de la multiplication des objets connectés et du développement de la vidéo en ligne (streaming), qui représente à elle seule 1 % des émissions. Ce phénomène amène l’association à appeler à une posture de sobriété numérique.

Origines des émissions

L’accroissement des principaux gaz à effet de serre est essentiellement dû à certaines activités humaines.

Utilisation de combustibles fossiles

Les combustibles fossiles sont principalement le charbon, les produits pétroliers et le gaz naturel. Ils ont libéré dans l’atmosphère depuis deux siècles de très importantes quantités de dioxyde de carbone (CO₂) provenant du carbone accumulé dans le sous-sol depuis le Paléozoïque. L’augmentation de concentration atmosphérique de CO₂ qui en résulte est le principal facteur du réchauffement climatique. En 2007, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) indique ainsi que les activités humaines sont responsables du changement climatique avec un degré de confiance très élevé (soit une probabilité d’environ 90 %).

En 2014, Le GIEC publie un rapport classant les sources de production d’électricité en fonction de leurs émissions de gaz à effet de serre.

Déforestation et combustion de bois

Une forêt mature est un réservoir important de carbone. La disparition de surfaces toujours plus grandes de forêts au profit de cultures ou de pâturages (emmagasinant une quantité moindre de matière organique) libère du CO₂ dans l’atmosphère, surtout quand la déforestation se fait par brûlis. En effet, la pousse de jeunes arbres ne peut plus absorber autant de carbone qu’en génère la dégradation des arbres morts ou brûlés remplacés par des cultures industrielles ou des pâturages. Si le bois exporté pour la construction permet de poursuivre le stockage du carbone, son utilisation en combustion (chauffage, séchage par exemple du tabac, etc.) émet également des gaz à effet de serre.

Occupation des sols

Les sols sont des réservoirs majeurs de carbone, lequel peut être dissous, de façon variable selon l’usage du sol, en CO₂. En France, l’ADEME estime ainsi que « les terres agricoles et la forêt occupent plus de 80 % du territoire national et séquestrent actuellement 4 à 5 GtC (soit entre 15 et 18 GtCO₂) dont plus des deux tiers dans les sols. Toute variation positive ou négative de ce stock influe sur les émissions nationales de gaz à effet de serre (GES), estimées à 0,5 Gt CO₂éq/an (valeur 2011) ». Selon certaines études, l’agriculture et la déforestation sont, à elles seules, responsables de la plus grande part des émissions de CO₂ depuis le XIX^e siècle. Pour cette raison, une décision du Conseil européen de 2013 préconise la prise en compte des changements d’affectation des sols et de leur utilisation dans le calcul des émissions de CO₂ (sous le nom de règles UTCATF, pour utilisation des terres, changement d’affectation des terres et foresterie).

Élevage

Les ruminants contribuent au réchauffement climatique à hauteur de 14,5 % en 2013, part dont 44 % à 60 % est dû au méthane, les autres composantes étant le N₂O (25 %, issu principalement de la fertilisation azotée et des effluents d’élevage) et le CO₂ (15 %, issu principalement de la consommation de carburant pour le fonctionnement de la ferme et la production d’intrants). L’élevage extensif émet 20 % de GES en moins que le système intensif, grâce au puits de carbone et à l’alimentation locale que représentent les surfaces herbagères. D’autres mesures d’atténuation, parfois déjà appliquées, sont une alimentation étudiée pour réduire la fermentation entérique, la mise en place d’usines de biogaz pour recycler le fumier et le recours à des méthodes de conservation des sols et de sylvopastoralisme.

Utilisation des CFC et HCFC

Remplacés par les hydrochlorofluorocarbures (HCFC), les chlorofluorocarbones (CFC) ont vu leur utilisation dans les systèmes de réfrigération et de climatisation fortement réglementée par le protocole de Montréal. Malgré cela, les rejets restent préoccupants. Par exemple, le HCFC le plus communément utilisé, le monochlorodifluorométhane ou HCFC-22, a un potentiel de réchauffement global (PRG) 1 800 fois plus élevé que le CO₂. De plus, les CFC présents dans les systèmes de réfrigération et de refroidissement et dans les mousses isolantes déjà en place représentent des émissions potentielles si elles ne sont pas captées lors de la destruction des systèmes ou des immeubles concernés. Une étude publiée en mars 2020 dans Nature Communications évalue ces stocks sur vingt ans aux émissions des véhicules de tourisme aux États-Unis. Pour les chercheurs, la taille de ces stocks est telle que la gestion prudente de la déconstruction serait peu coûteuse en regard de leurs émissions. Ils mettent également en évidence une production illégale de CFC-113 et de CFC-11.

Émissions de protoxyde d’azote (N₂O)

En augmentation constante, les émissions de protoxyde d’azote sont en grande partie issues de l’agriculture industrielle. Les émissions de méthane Elles proviennent pour les trois quarts de l’activité humaine, en particulier des énergies fossiles, de l’élevage et des décharges. Des phénomènes naturels s’y ajoutent, comme le dégel du pergélisol ou l’activité microbienne des zones inondées. Ces émissions tendaient à se stabiliser en 2005-2007, mais sont à nouveau en forte hausse, avec un record en 2012 (1,819 ppm, soit +260 % par rapport au niveau préindustriel), surtout à partir des zones tropicales. L’élevage, en plein développement, est une des causes de l’augmentation de ce gaz à fort potentiel de réchauffement global (pour 37 % environ du total en 2006), les autres sources étant notamment l’extension des surfaces immergées (rizières, marécages).

Intensité des émissions

Pour le vocabulaire officiel de l’environnement, tel que défini par la commission d’enrichissement de la langue française en 2019, l’« intensité des émissions de gaz à effet de serre » (en anglais « greenhouse gas intensity ») est : « [un] indicateur qui rapporte la quantité de gaz à effet de serre émis, mesurée par son équivalent en dioxyde de carbone, au produit intérieur brut » ; il est précisé que :

« l’intensité des émissions de gaz à effet de serre permet d’effectuer des comparaisons, notamment entre des pays ou des secteurs économiques » ;
« bien que l’intensité des émissions de gaz à effet de serre ne concerne pas exclusivement le dioxyde de carbone, on parle fréquemment d’« intensité carbone » (en anglais : « carbone intensity ») ».

Émissions naturelles

La biodégradation des végétaux est source de CO₂ quand elle se fait en présence d’air, de méthane (CH₄) et quand elle est anaérobie, comme c’est le cas sur les surfaces inondées (estuaires, marais).
Le volcanisme est également source de CO₂. Le seul volcan de la Solfatare émet environ 1 500 tonnes de CO₂ par jour.
La respiration des êtres vivants : source de CO₂ (partiellement ré-absorbée par la photosynthèse des plantes).
Les rejets de méthane par les hommes et la plupart des animaux (fermentation digestive (80%) et déjections (20%) des ruminants).

Potentiel de réchauffement global

Données pour l’année 2000. 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). Attention, les émissions des avions et du transport maritime, et les « émissions grises » ne sont pas intégrées dans ce type de graphique.

Chaque GES a un effet différent sur le réchauffement global. Par exemple, sur une période de 100 ans, un kilogramme de méthane a un impact sur l’effet de serre 25 fois plus fort qu’un kilogramme 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 deux semaines dans l’atmosphère, dont elle est éliminée par précipitation.

Pour l’équivalent carbone, on part du fait qu’1 kg de CO₂ contient 0,272 7 kg de carbone. L’émission d’1 kg de CO₂ vaut donc 0,272 7 kg d’équivalent carbone. Pour les autres gaz, l’équivalent carbone vaut :équivalent carbone = PRG × 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.

Durée de séjour

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. Ils peuvent être évacués 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 dissous 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 hydrocarbures halogénés 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.

Évolution des concentrations mondiales de GES

En 2007 le quatrième rapport d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) estime qu’entre 1970 et 2004 les émissions de gaz à effet de serre dues aux activités humaines ont augmenté de 70 %.

L’Organisation météorologique mondiale (OMM) a annoncé le 30 octobre 2017 que les concentrations mondiales de gaz à effet de serre avaient atteint de nouveaux records en 2016 :

la teneur moyenne de l’atmosphère en dioxyde de carbone (CO₂) était de 403,3 ppm (parties par million), soit 3,3 ppm de plus qu’en 2015 ; cette hausse est la plus forte augmentation interannuelle de la période 1984-2016 ; la teneur de 2016 représente 145 % du niveau préindustriel (278 ppm en 1750) ;
le méthane (CH₄), 2^e GES persistant par son abondance, dont 60 % des émissions sont d’origine humaine, a atteint un nouveau record en 2016 à 1 853 ppb (parties par milliard), soit 257 % du niveau préindustriel ; après une période de stabilisation, sa teneur augmente à nouveau depuis 2007 ;
le protoxyde d’azote (N₂O) a atteint 328,9 ppb, soit 9 ppb de plus qu’en 2015 et 122 % du niveau préindustriel ;
globalement, le forçage radiatif de l’atmosphère par les gaz à effet de serre s’est accru de 40 % entre 1990 et 2016 ; le dioxyde de carbone est responsable d’environ 80 % de cette progression ;
l’océan absorbe 26 % des émissions anthropiques de CO₂, limitant l’accroissement du CO₂ atmosphérique causé par l’exploitation des combustibles fossiles, mais l’absorption de quantités accrues de ce gaz (4 kg par jour et par personne) par les mers modifie le cycle des carbonates marins et entraîne une acidification de l’eau de mer. Le rythme actuel d’acidification des océans semble sans précédent depuis au moins 300 millions d’années ; cette acidification a une influence néfaste sur la calcification chez beaucoup d’organismes marins et tend à réduire leur taux de survie et altérer leurs fonctions physiologiques et diminue la biodiversité.

L’Organisation météorologique mondiale a annoncé le 26 mai 2014 qu’en avril, pour la première fois, les concentrations mensuelles de CO₂ dans l’atmosphère ont dépassé le seuil symbolique de 400 ppm dans tout l’hémisphère nord ; dans l’hémisphère sud, les concentrations sont de 393 à 396 ppm, du fait d’une densité de population et d’une activité économique moindres. La moyenne mondiale à l’époque préindustrielle était de 278 ppm.

En 2018, la teneur moyenne de l’atmosphère en CO₂ a atteint le niveau de 407,8 ppm, dépassant de 147 % le niveau préindustriel de 1750. L’Organisation météorologique mondiale avertit qu’« aucun signe de ralentissement n’est visible malgré tous les engagements pris au titre de l’Accord de Paris sur le climat » et appelle les pays à traduire leurs « engagements en actes et revoir à la hausse [leurs] ambitions dans l’intérêt de l’humanité ».

Statistiques d’émissions

Cycle du carbone

Évolution de la concentration en CO₂ et flux de carbone vers l’atmosphère.

Stocks de carbone : la biosphère contient 540 à 610 Gt de carbone ; le sol : 1 500 à 1 600 Gt ; les océans : 38 000 à 40 000 Gt, la lithosphère : 66 000 à 100 000 Gt, dont 4 000 à 5 000 Gt de combustibles fossiles ; l’atmosphère : 578 Gt en 1700, 766 Gt en 1999, croissance annuelle depuis : >6 Gt/an.

La progression et les fluctuations de la teneur en CO₂ sont retracées quasiment en temps réel sur le site ESRL (Earth System Research Laboratory).

Émissions globales de gaz à effet de serre

Statistiques mondiales

La Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques fournit sur son site internet de nombreuses données sur les émissions territoriales des pays parties à la dite convention :

Après trois ans de relatif répit, les émissions mondiales de gaz à effet de serre devraient croître d’environ 2 % en 2017 par rapport à 2016 et atteindre le niveau record de 36,8 milliards de tonnes, selon les estimations établies par le Global Carbon Project (en), une plate-forme animée par des scientifiques issus du monde entier.

Statistiques européennes

Eurostat publie des statistiques destinées au suivi des engagements du Protocole de Kyoto :

Remarques :

Les pays aux émissions de gaz à effet de serre les plus élevées par habitant utilisent des sources d’énergie à fortes émissions (en particulier pour la production d’électricité)
1. Lignite : Allemagne, République tchèque
2. Tourbe : Irlande (13,5 t CO_2éq/hab)
3. Schiste bitumineux : Estonie (15,0 t CO_2éq/hab)
4. Charbon : Pologne.
La Belgique a des émissions particulièrement élevées du fait de la part importante de l’industrie dans son économie. Ce facteur joue aussi dans le cas de l’Allemagne, et a fortiori pour le Luxembourg : 19,8 t CO_2éq/hab.
Les Pays-Bas ont des émissions de méthane particulièrement élevées (9,2 % du total de leurs émissions de GES contre 2,6 % pour le total de l’Union européenne); cela provient surtout de leurs gisements de gaz naturel (Groningue).

Évolution des émissions de gaz à effet de serre des principaux pays européens
Source données : Agence européenne pour l’environnement.

Émissions de CO₂ dans le monde

Émissions de CO₂ dans le monde par zone géographique (hors UTCATF)

L’étude du Global carbon project, publiée le 21 septembre 2014, avant le sommet de l’ONU sur le climat, annonce que les émissions de CO₂ devraient atteindre 37 milliards de tonnes en 2014 et 43,2 milliards en 2019 ; en 2013, elles avaient progressé de 2,3 % pour atteindre 36,1 milliards de tonnes. En 2013, un Chinois émet désormais davantage qu’un Européen, avec 7,2 t de CO₂ par habitant contre 6,8 t dans l’Union européenne, mais un Américain émet 16,4 t de CO₂ ; la progression de ces émissions est très rapide en Chine (+4,2 % en 2013) et en Inde (+5,1 %) alors qu’en Europe elles reculent (-1,8 %). Le Global carbon project souligne que la trajectoire actuelle des émissions de gaz carbonique concorde avec le pire des scénarios évoqués par le GIEC, qui table sur une hausse de la température mondiale de 3,2 à 5,4 °C d’ici 2100.

Les émissions de CO₂ liées à l’énergie ont enregistré un coup d’arrêt en 2014 ; c’est la première fois, depuis 40 ans que l’Agence internationale de l’énergie (AIE) établit ses statistiques d’émissions de CO₂, que ces émissions cessent de croître dans un contexte de croissance économique (+3 %) ; elles avaient connu trois baisses : au début des années 1980, en 1992 et en 2009, toutes causées par un recul de l’activité économique. Le secteur de l’énergie a émis 32,3 gigatonnes de CO₂ comme en 2013. L’AIE attribue les mérites de cette stabilisation pour l’essentiel à la Chine et aux pays de l’OCDE. En Chine, « l’année 2014 a été marquée par la croissance de la production électrique issue des énergies renouvelables, hydraulique, solaire, éolienne. L’électricité fournie par les centrales au charbon a moins compté », et la consommation s’est fortement ralentie. Les pays développés de l’OCDE sont parvenus à découpler la croissance de leurs émissions de gaz à effet de serre de celle de leur économie, grâce à leurs progrès dans l’efficacité énergétique et l’utilisation des énergies renouvelables.

Les émissions de CO₂ liées à l’énergie sont reparties à la hausse en 2017, après trois années de stagnation, selon l’Agence internationale de l’énergie, à 32,5 gigatonnes, soit +1,4 %. Cette augmentation résulte d’une robuste croissance économique mondiale (+3,7 %), de prix bas pour les combustibles fossiles et de moindre efforts réalisés en matière d’efficacité énergétique. Les émissions de CO₂ de la plupart des grandes économies ont augmenté en 2017, mais elles ont reculé au Royaume-Uni, au Mexique, au Japon et aux États-Unis ; leur recul de 0,5 % aux États-Unis s’explique par le déploiement plus important d’énergies renouvelables, combiné à un déclin de la demande d’électricité. L’Asie est responsable des deux tiers de l’augmentation des émissions ; les émissions n’ont progressé que de 1,7 % en Chine malgré une croissance de près de 7 %, en raison du déploiement d’énergies renouvelables et du remplacement de charbon par du gaz. Dans l’Union européenne, les émissions ont progressé de 1,5 %, inversant les progrès réalisé ces dernières années, en raison d’un recours accru au pétrole et au gaz.

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. Néanmoins les émissions y ont progressé de 458 millions de tonnes équivalent de CO₂ en 2016 à 466 millions en 2017.

Responsabilité des émissions

Articles connexes : Budget carbone et Justice climatique.

Responsabilité des émissions de CO2 par habitant entre 1950 et 2000.

Selon les pays

La question de la répartition des responsabilités des émissions anthropiques a été un des points les plus épineux des négociations internationales sur le réchauffement climatique. Les pays émergents font valoir que le réchauffement climatique est causé pour l’essentiel par les gaz à effet de serre émis et accumulé dans l’atmosphère par les pays développés depuis la révolution industrielle et que les objectifs d’efforts de réduction des émissions devraient donc être répartis en fonction des émissions cumulées depuis le début de l’ère industrielle de chaque pays. Ce raisonnement a débouché sur le « principe des responsabilités communes mais différenciées » admis à partir de la Conférence des Nations unies sur l’environnement et le développement, à Rio, en 1992.

Le point de vue adopté le plus fréquemment (approche territoire) consiste à attribuer à chaque pays les émissions produites sur son territoire.

Deux autres points de vue peuvent être soutenus selon les responsables de ces emissions : les producteurs une étude retraçant les émissions responsables du réchauffement climatique de 1854 à 2010 a mis en exergue la responsabilité de 90 entités productrices de combustibles fossiles et de ciment comme étant responsables des ²⁄₃ des émissions mondiales de CO₂ liées à l’énergie (¹⁄₃ entreprises privées, ¹⁄₃ entreprises publiques, ¹⁄₃ États). Cette présentation a surtout pour but de minorer la responsabilité des pays consommateurs en faisant porter une part majorée des responsabilités aux pays exportateurs de pétrole et de gaz (Arabie Saoudite, Russie, Iran, Irak, Émirats, Venezuela, etc.) et de charbon (Pologne, Australie, Indonésie, Colombie, etc.) ; les consommateurs (approche consommation) une approche au niveau de la consommation finale et non au niveau de la production d’énergie, dénommée ECO₂Climat, comptabilise l’ensemble des émissions de gaz à effet de serre générées par la consommation de produits et services des Français (y compris les services publics), par la construction et la consommation d’énergie de leur habitat ainsi que par leurs déplacements, que ces émissions aient lieu sur le territoire français ou non. Cette méthode permet d’éliminer l’effet des échanges internationaux et des délocalisations, qui font baisser les émissions en France en les déplaçant à l’étranger. Avec cette approche, les émissions de GES par personne pour la consommation finale se sont élevées en 2012 à 10,1 tonnes équivalent CO₂ en moyenne. De 2008 à 2012, l’empreinte carbone des Français ainsi calculée a augmenté de 1,3 % à 662 millions de tonnes de CO_2éq ; la population française ayant augmenté de 2 % dans le même temps, les émissions par personne ont légèrement diminué, de 10,23 à 10,15 t CO_2éq (-0,7 %).

Avec la même approche, mais avec une méthodologie différente et une envergure mondiale, le Global Carbon Project fournit un atlas mondial du carbone qui présente les données suivantes :

Selon les données de l’Agence internationale de l’énergie, les émissions de CO₂ liées à l’énergie atteignaient 32 316 Mt en 2016 contre 15 460 Mt en 1973, en progression de 109 % en 43 ans ; elles provenaient de la combustion de charbon pour 44,1 %, de pétrole pour 34,8 % et de gaz naturel pour 20,4 %. Depuis 2006, la Chine a dépassé les États-Unis pour les émissions de gaz à effet de serre, mais sa population est 4,3 fois plus nombreuse. Les émissions de CO₂ de la Chine étaient en 2016 de 9 057 Mt contre 4 833 Mt pour les États-Unis, 2 077 Mt pour l’Inde et 1 439 Mt pour la Russie (approche territoire) ; elles sont passées de 5,7 % du total mondial en 1973 à 28,2 % en 2016 ; mais les émissions par habitant des États-Unis restent largement en tête avec 14,95 t/hab contre 9,97 t/hab pour la Russie, 6,57 t/hab pour la Chine, 1,57 t/hab pour l’Inde et 4,35 t/hab pour la moyenne mondiale.

Selon les niveaux de revenus

Étude d’Oxfam

L’association Oxfam publie le 1^er décembre 2015, lors de la COP21, le rapport « Inégalités extrêmes et émissions de CO₂ » qui fournit de nouvelles estimations des émissions selon le mode de vie et la consommation de différentes catégories de la population : la moitié la plus pauvre de la population mondiale, les 3,5 milliards de personnes les plus menacées par l’intensification catastrophique des tempêtes, des sécheresses et autres phénomènes extrêmes liée au changement climatique, n’est responsable que de 10 % des émissions de CO₂, alors que les 10 % les plus riches de la planète sont responsables d’environ la moitié des émissions de CO₂ mondiales. Une personne faisant partie des 1 % les plus riches au monde génère en moyenne 175 fois plus de CO₂ qu’une personne se situant dans les 10 % les plus pauvres ; une personne parmi les 10 % les plus riches en Inde n’émet en moyenne qu’un quart du CO₂ émis par une personne de la moitié la plus pauvre de la population des États-Unis ; un Américain parmi la moitié la plus pauvre de la population de son pays génère en moyenne vingt fois plus d’émissions que son pendant indien.

Les habitants les plus pauvres de la planète, qui sont les moins responsables du changement climatique, sont de surcroît en général les plus vulnérables face à ses conséquences et les moins préparés pour l’affronter. Ainsi, en Californie, plus de 80 % des terres arables sont irriguées, tandis que moins de 1 % d’entre elles le sont au Niger, au Burkina Faso et au Tchad. De même, alors que 91 % des agriculteurs aux États-Unis ont une assurance-récolte qui couvre leurs pertes en cas de phénomène météorologique extrême, ils ne sont que 15 % en Inde, 10 % en Chine et tout au plus 1 % au Malawi.

Études de Lucas Chancel et Thomas Piketty

En novembre 2015, Lucas Chancel et Thomas Piketty publient une étude intitulée Carbon and inequality : from Kyoto to Paris. Elle établit notamment que, « dans un contexte de forte hausse des émissions globales depuis 1998 […] le niveau d’inégalité mondiale d’émissions a diminué » et que 10 % des émetteurs mondiaux sont responsables de près de la moitié des émissions totales et émettent 2,3 fois plus que la moyenne mondiale. Ils préconisent dès lors la mise en place d’une taxe carbone mondiale progressive sur le CO₂, qui aboutirait à une participation nord-américaine à hauteur de 46,2 % des fonds, à une participation européenne de l’ordre de 16 % et à une contribution chinoise de 12 % ; ou bien un financement assuré par les 1 % des plus gros émetteurs (soit les individus émettant 9,1 fois plus que la moyenne mondiale) : l’Amérique du Nord contribuerait alors à hauteur de 57,3 % des efforts, contre 15 % pour l’Europe et 6 % pour la Chine.

Selon Lucas Chancel, « plusieurs travaux portant sur de nombreux pays ont montré que le revenu (ou le niveau de dépense, qui lui est fortement associé) est le principal facteur expliquant les différences d’émission de CO₂e, entre individus à l’intérieur des pays ». Il précise que les émissions directes — « produites sur le lieu d’utilisation de l’énergie (par une chaudière à gaz ou le pot d’échappement d’une voiture, par exemple » — augmentent « moins que proportionnellement » par rapport aux revenus : « Il y a une limite à la quantité de chaleur dont nous avons besoin chaque jour ou au volume d’essence que nous pouvons mettre dans notre voiture (et ceux qui ont plusieurs voitures ne peuvent pas les conduire toutes à la fois) ». En revanche, « il n’y a pas vraiment de limite à la quantité de biens et de services que l’on peut acheter avec son argent », ce qui correspond aux émissions indirectes — les « émissions nécessaires pour réaliser les services ou les biens que l’on consomme » — qui, elles, « sont davantage corrélées au revenu que les directes : pour les 20 % des Français et Américains les plus riches, elles représentent les trois quarts de leurs émissions totales, contre deux tiers pour les 20 % les plus modestes ». En 2013, si les émissions des Français s’élèvent à 11 tonnes par personne et par an, les émissions des 10 % les plus modestes sont d’environ 4 tonnes, contre 31 tonnes pour les plus aisés, soit près de huit fois moins. Cet écart entre les 10 % les plus modestes et les 10 % les plus riches dans les émissions est de 24 aux États-Unis (3,6 vs 84,5 tonnes), de 46 au Brésil (0,5 tonne contre 23), et de 22 au Rwanda (0,1 contre 2,2 tonnes).

Responsabilités d’entreprises

Selon Richard Heede, de l’Institut de responsabilité climatique (Climate Accountability Institute), en supposant que les producteurs de combustibles fossiles seraient responsables des émissions dues à leurs produits, 103 entreprises sont à elles seules responsables de plus de 69,8 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre entre 1751 et le début du XXI^e siècle, et les 20 entreprises les plus émettrices depuis 1965 (dont 12 détenues par des États) ont contribué à 35 % de l’ensemble des émissions de dioxyde de carbone et de méthane liés à l’énergie dans le monde.

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.

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Historique

Fonctionnement d’une serre

Mécanisme sur Terre

Les gaz à « effet de serre »

Effets des activités humaines

Hypothèse de l’emballement de l’effet de serre

Conséquences pour l’environnement

Effet de serre sur les autres planètes

Effet de serre sur Vénus

Effet de serre sur Mars

Confusion entre effet de serre et trou dans la couche d’ozone

Forçage radiatif

Équilibre radiatif

Définitions

Pour le GIEC

Pour la France

Mesures associées

Sensibilité climatique

Définition

Forçage radiatif

Rétroactions

Rétroactions rapides

Rétroaction de la vapeur d’eau

Rétroaction des nuages

Gradient thermique

Rétroaction lentes

Modification de l’albédo

Perturbation du cycle du carbone

Détermination empirique

Calcul à l’aide des données de l’ère industrielle

Calcul en utilisant les données de l’époque glaciaire

Estimations par les modèles

Sensibilité de Charney

Sensibilité du système Terre

Historique

Forçage et émissions anthropique

Potentiel de réchauffement global

Concept

Utilisation selon le Protocole de Kyoto

Calcul

Notions en jeux et hypothèses

Définition

Propriétés

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Valeurs

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