Cette carte satellite du rayonnement des ondes longues émises par la Terre en Septembre 2008 montre non seulement des variations géographiques, mais aussi la présence de nuages. Plus de chaleur s'échappe des zones tropicales, où la surface est plus chaude et où il y a moins de nuages.
© NASA/Earth Observatory/Robert Simmon à partir des données CERES

La plupart d'entre nous a entendu que les gaz à effet de serre rendent la planète plus chaude qu'elle ne le serait sans eux, et nous avons également entendu que l'augmentation des quantités de gaz à effet de serre renforçait l'effet de serre naturel. Mais peu d'entre nous savent exactement ce qui dans l'atmosphère fait fonctionner l'effet et pourquoi de petits changements dans les gaz traces tels que le dioxyde de carbone (CO2) pourrait faire une différence.

On a compris depuis le 19^ème siècle que certains gaz absorbaient la radiation infrarouge (RI) qui est émise par la planète, diminuant le rythme auquel la surface de la planète peut se refroidir ou se réchauffer. Ces soit-disant gaz à effet de serre comprennent le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau, ainsi que l'ozone et le méthane notamment. Notons, cependant, que la majeure partie de l'atmosphère est composée de molécules d'azote et d'oxygène qui n'absorbent pas tout le rayonnement infrarouge émis par la Terre. Ce qu'on sait moins, c'est que les nuages (constitués de particules de glace et/ou de toutes petites gouttes d'eau liquide) absorbent également la radiation infrarouge et contribuent aussi à l'effet de serre. Les nuages, bien entendu, interfèrent également avec la lumière entrante, en la réfléchissant dans l'espace, ce qui a principalement un effet rafraîchissant, mais leur contribution à l'effet de serre est importante.

L'effet de serre est souvent estimée comme étant la différence entre la température réelle de surface de la planète et la température que celle-ci aurait sans aucune absorption atmosphérique, mais avec exactement le même albédo (pouvoir réfléchissant d'une surface), soit environ 33°C. C'est davantage une "pensée expérimentale" qu'un état observable, mais c'est une base utile. Un autre moyen de quantifier l'effet est de mesurer la différence entre la radiation infrarouge émise par la Terre et la quantité d'énergie qui est émise dans l'espace tout en haut de l'atmosphère. En l'absence d'effet de serre, elle serait nulle (en d'autres termes, pas de différence). Actuellement, la surface émet environ 150 watts par mètre carré (w/m²) de plus que ce qui ne s'échappe dans l'espace.

Parmi toutes les substances à effet de serre présentes dans l'atmosphère, qui absorbe quoi ?

C'est une question plus compliquée qu'elle n'y paraît au premier abord à cause de la nature de l'absorption et de la distribution complexe des absorbeurs à la fois horizontalement et verticalement. Différentes substances absorbent différentes fréquences de RI, et les différentes parties de la planète diffèrent grandement pour la quantité de RI qui est émise (basée sur la température de surface) et pour la quantité de nuages et de vapeau d'eau se trouvant à cet endroit (le dioxyde de carbone est très bien mélangé). En effet, certaines longueurs d'ondes de la RI peuvent être absorbées à la fois par la vapeur d'eau et les nuages ou par la vapeur d'eau et le CO2. Ce « chevauchement spectral » signifie que si on retire un composant, le changement de quantité de RI absorbée sera moins important que si on avait eu seulement ce composant dans l'air. Alternativement, l'impact de l'ensemble des composants est moins important que ce qu'on pourrait obtenir si on ajoutait leurs éléments individuels. Ceci nécessite d'être pris en compte dans toute attribution de l'effet de serre.

Le modèle de transfert de radiations du GISS est exploité dans l'analyse de l'atmosphère afin de déterminer les contributions de chaque composant. Ceci est déterminé en utilisant des distributions réalistes de la température locale, de la vapeur d'eau et des nuages. En enlevant chacun des absorbeurs à tour de rôle et en calculant l'absorption des nombreuses combinaisons différentes, on peut calculer tous les chevauchements et attribuer l'absorption précisément.

Ainsi, la vapeur d'eau est le composant dominant, responsable d'environ 50% de l'absorption, les nuages représentent 25% et le CO2 20% de l'effet de serre. Le reste est constitué d'autres gaz mineurs comme l'ozone et le méthane par exemple, et d'une petite quantité de particules dans l'air (poussières et autres "aérosols").

Etant donné que le CO2 a un rôle prépondérant dans l'effet de serre naturel, cela donne un sentiment intuitif que le changement de sa concentration à cause de l'activité humaine pourrait renforcer de manière significative l'effet de serre. Toutefois, calculer l'impact d'une modification de la concentration en CO2 est très différent d'un calcul de son rôle actuel par rapport à la vapeur d'eau et aux nuages. Ceci parce ces deux autres composants dépendent des températures et de la circulation atmosphérique. Par exemple, quand les températures augmentent, la concentration maximum de vapeur d'eau augmente d'environ 7% par degré Celsius. Les nuages dépendent également de la température, de la convection et de la quantité de vapeur d'eau. Donc un changement du CO2 qui a un effet sur l'effet de serre changera la vapeur d'eau et les nuages. Ainsi, l'effet de serre total après un changement de CO2 justifie les changements des autres composants également. Si, par exemple, les concentrations de CO2 sont doublées, alors l'absorbtion augmenterait de 4 w/m², mais une fois que la vapeur d'eau et les nuages réagissent, l'absorption augmente d'environ 20w/m², en démontrant ceci (dans le modèle climatique du GISS tout au moins), ces rétroactions positives amplifient les effets de la force radiative initiale du CO2 seul. Des données climatiques anciennes suggèrent que c'est ce qui se passe dans le monde réel également.

Que se passe-t-il quand on enlève les gaz traces à effet de serre ?

Étant donné les effets non-linéaires du CO2 sur l'absorption, l'impact de la suppression des émissions de CO2 est environ sept fois plus grand que si on le doublait. Si un tel événement était possible, il conduirait à un rafraîchissement dramatique, à la fois directement et indirectement, comme la vapeur d'eau et les nuages réagiraient. Dans les modèles expérimentaux où tous les gaz traces à effet de serre sont supprimés, la planète refroidit jusqu'à devenir quasiment une Terre boule de neige, avec une température inférieure de 35°C par rapport à aujourd'hui, puisque le niveau de vapeur d'eau diminue de 10% par rapport aux valeurs actuelles, et la réflectivité planétaire augmente (à cause de la neige et des nuages) ce qui rafraîchit encore la planète.

Malgré le fait d'être un gaz trace, il n'y a rien d'insignifiant concernant l'importance du CO2 pour aujourd'hui, ni son rôle dans le  façonnage du changement climatique dans le futur.

Références

• Schmidt, G.A., R. Ruedy, R.L. Miller, and A.A. Lacis, 2010: The attribution of the present-day total greenhouse effect. J. Geophys. Res., 115, D20106, doi:10.1029/2010JD014287.
• Lacis, A.A, G.A. Schmidt, D. Rind and R.A. Ruedy, 2010: Atmospheric CO2: Principal control knob governing Earth's temperature Science, 330, 356-359, doi:10.1126/science.1190653

Source

Taking the Measure of the Greenhouse Effect ; Gavin Schmidt - NASA

Auteur

Cécile Matricon