Objectifs

• Expliquer le mécanisme de l'effet de serre à partir du bilan des rayonnements.
• Connaître les principaux gaz à effet de serre et le rôle particulier du \(\ce{CO2}\).
• Exploiter des données (carottes de glace, mesures actuelles) reliant \(\ce{CO2}\) et température.
• Distinguer sources et puits de carbone, et comprendre les rétroactions.

1. Le bilan radiatif de la Terre

Le Soleil envoie surtout un rayonnement visible. Une partie (environ 30 %) est directement renvoyée vers l'espace par les nuages, les glaces et les surfaces claires : c'est l'albédo. Le reste est absorbé et réchauffe le sol et les océans. La surface chauffée émet à son tour un rayonnement infrarouge (IR), invisible.

2. Les gaz à effet de serre et le CO₂

Les principaux gaz à effet de serre sont : la vapeur d'eau \(\ce{H2O}\), le dioxyde de carbone \(\ce{CO2}\), le méthane \(\ce{CH4}\), le protoxyde d'azote \(\ce{N2O}\) et l'ozone \(\ce{O3}\). Le diazote \(\ce{N2}\) et le dioxygène \(\ce{O2}\), pourtant majoritaires, n'en sont pas.

Pourquoi le CO₂ joue-t-il un rôle central ?

• La quantité de vapeur d'eau dépend surtout de la température : elle suit le climat plus qu'elle ne le commande.
• Le \(\ce{CO2}\) reste longtemps dans l'atmosphère (une partie pendant des siècles) et sa concentration est directement modifiée par les activités humaines : c'est le principal « bouton de réglage » du réchauffement actuel.

Sources et puits de carbone

flowchart LR
A[Combustion de petrole gaz charbon] --> C[CO2 atmospherique]
B[Deforestation et feux de brousse] --> C
D[Respiration et volcans] --> C
C --> E[Photosynthese des forets]
C --> F[Dissolution dans les oceans]

Une source envoie du carbone dans l'atmosphère ; un puits en retire (forêts, océans, formation de roches carbonatées sur des temps très longs). Quand les sources dépassent les puits, la concentration en \(\ce{CO2}\) augmente.

Exemple de réaction de combustion (gaz butane d'une bouteille de cuisine) :

3. CO₂ et température : ce que disent les données

Le passé : les carottes de glace

Les forages en Antarctique (projet européen EPICA, Dôme C) couvrent environ 800 000 ans. On y mesure :

• la teneur en \(\ce{CO2}\) des bulles d'air ;
• un indicateur de la température : la composition isotopique de la glace (rapport des isotopes de l'hydrogène ou de l'oxygène).

Résultat : le \(\ce{CO2}\) a oscillé entre environ \(180\ \text{ppm}\) pendant les périodes glaciaires et environ \(280\ \text{à}\ 300\ \text{ppm}\) pendant les périodes chaudes (interglaciaires), et ses variations suivent de très près celles de la température (Lüthi et coll., Nature, 2008). Le \(\ce{CO2}\) agit en amplificateur des changements climatiques déclenchés par les variations de l'orbite terrestre.

(ppm = parties par million : \(280\ \text{ppm}\) signifie 280 molécules de \(\ce{CO2}\) pour un million de molécules d'air.)

Le présent

Avant l'ère industrielle (vers 1750), la concentration était d'environ \(280\ \text{ppm}\). Elle atteignait environ \(420\ \text{ppm}\) en moyenne en 2023 (mesures de la NOAA à l'observatoire de Mauna Loa), une valeur jamais atteinte depuis au moins 800 000 ans. Selon le GIEC (rapport AR6, 2021), la température de surface moyenne de la décennie 2011-2020 dépassait d'environ \(1{,}1\ ^\circ\text{C}\) celle de 1850-1900, et ce réchauffement est sans équivoque dû à l'influence humaine.

Exemple résolu : exploiter les chiffres

De combien de pourcents la concentration en \(\ce{CO2}\) a-t-elle augmenté entre l'ère préindustrielle et 2023 ? Cherche d'abord.

Modéliser : la sensibilité climatique

Les climatologues résument l'effet du \(\ce{CO2}\) par la sensibilité climatique \(S\) : le réchauffement final si la concentration double. Le GIEC (AR6) l'estime à environ \(3\ ^\circ\text{C}\), probablement entre \(2{,}5\) et \(4\ ^\circ\text{C}\). Dans un modèle simple, le réchauffement d'équilibre vaut :

Manipule : \(x\) est la concentration \(C\) en ppm, la courbe donne \(\Delta T\) en °C. Fais varier \(S\) et lis le réchauffement pour \(C = 560\ \text{ppm}\) (doublement).

4. Les rétroactions

• Vapeur d'eau (rétroaction positive) : un air plus chaud contient plus de vapeur d'eau, qui renforce l'effet de serre.
• Albédo des glaces (positive) : la fonte des glaces découvre des surfaces sombres (océan, roche) qui absorbent plus de lumière.
• Océan : un océan plus chaud dissout moins de \(\ce{CO2}\), ce qui en laisse davantage dans l'atmosphère (positive). Le \(\ce{CO2}\) dissous acidifie aussi les océans.
• Végétation : la photosynthèse peut absorber une partie du \(\ce{CO2}\) supplémentaire (rétroaction négative, limitée).

Récapitulatif

• La Terre reçoit du visible et émet de l'infrarouge ; les gaz à effet de serre absorbent cet infrarouge et en renvoient une partie vers le sol.
• L'effet de serre naturel fait passer la température moyenne d'environ \(-18\ ^\circ\text{C}\) à environ \(+15\ ^\circ\text{C}\).
• Le \(\ce{CO2}\) est passé d'environ \(280\ \text{ppm}\) à environ \(420\ \text{ppm}\) ; les carottes de glace montrent son lien étroit avec la température depuis 800 000 ans.
• Les rétroactions (vapeur d'eau, albédo, océans) amplifient le réchauffement.