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Effet de serre atmosphérique : une complexité insoupçonnée qui semble regorger de paradoxes

Crédits : NASA.

La compréhension du mécanisme d’effet de serre demande de faire face à plusieurs sortes de paradoxes apparents, lesquels surviennent à mesure que l’on plonge dans la complexité des processus. Cet article tentera de présenter deux d’entre eux, chacun associé à un niveau d’enseignement différent.

La communauté scientifique est unanime sur la question. Le réchauffement climatique en cours est essentiellement provoqué par nos émissions croissantes de gaz à effet de serre (GES). En particulier, le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et le protoxyde d’azote (N2O). Par commodité, on résume souvent cette perturbation du système climatique par le seul effet dû à l’excès de CO2.

Pour comprendre comment l’augmentation de la concentration atmosphérique de certains gaz mineurs peut induire un changement majeur du climat, il faut notamment se pencher sur la façon dont fonctionne l’effet de serre. Or, si ce dernier est bien compris scientifiquement, il n’en reste pas moins un phénomène complexe. Aussi, le message à destination du grand public – ou d’un public peu familier des notions de climatologie physique – est nécessairement très simplifié.

Un modèle conceptuel (beaucoup) trop simplifié

L’explication la plus basique – que l’on pourrait qualifier de simplification à outrance – avance que plus le contenu en CO2 augmente, plus l’air absorbe le rayonnement infrarouge (IR) émis par la surface. Ainsi, l’atmosphère serait réchauffée via une augmentation de son absorptivité moyenne. Néanmoins, le CO2 absorbe déjà presque tout le rayonnement qu’il est en mesure d’absorber. Autrement dit, sa capacité est presque à saturation et ne peut donc quasiment plus augmenter. La figure ci-dessous l’illustre bien.

CO2
Absorptivité moyenne de l’atmosphère dans l’infrarouge selon la concentration en CO2 seul (pointillés rouges) ou avec vapeur d’eau (courbe bleue). Les valeurs de concentration sont en parties par million (ppm). Notez la quasi-saturation pour les valeurs pertinentes (supérieures à 100 ppm). Crédits : Jean-Louis Dufresne & al. 2011.

Avec cette explication, on se surprend à conclure qu’au bout du compte l’effet de serre lui-même est saturé. En pratique, c’est comme si l’on rendait la vitre d’une serre déjà opaque aux infrarouges encore plus épaisse. L’impact sur les flux d’énergie entrant et sortant serait négligeable. Certains arguments climato-sceptiques insistent sur ce point pour dire qu’une augmentation des concentrations en GES ne peut pas modifier de manière significative le climat.

Cependant, l’explication que l’on retrouve à un niveau d’enseignement plus avancé tient compte d’une propriété fondamentale que le discours précédent a laissé de côté : dans l’atmosphère, la température diminue avec l’altitude. Puisque le rayonnement infrarouge émis par la surface est totalement absorbé, il n’atteint jamais l’espace. Ainsi, le système climatique évacue la chaleur grâce à l’émission d’IR en altitude – autour de 5 kilomètres en moyenne. À ce niveau, la densité devient effectivement assez faible pour que les IR puissent s’échapper.

Vers une représentation plus réaliste de l’effet de serre

Dans cette perspective, la capacité du CO2 à chauffer le système climatique repose sur son aptitude à changer l’altitude moyenne à laquelle les IR quittent l’atmosphère. En augmentant la concentration en GES, l’altitude d’émission s’élève car le nombre de ces molécules s’accroît : il faut monter de plus en plus haut pour trouver une même concentration.

Dans le modèle précédent à vitre unique et opaque, le gradient vertical était implicitement assumé nul. Autrement dit, élever l’altitude d’émission ne changeait rien car la température restait la même. A contrario, en présence d’un gradient vertical négatif, toute augmentation de l’altitude d’émission induira une diminution du flux d’énergie sortant. Le schéma ci-dessous illustre qualitativement cet effet.

Altitude d’émission avant (gauche) et juste après (droite) perturbation. L’émission se fait à une température plus froide. Ce déséquilibre radiatif provoque un réchauffement. Crédits : Skepticalscience / dana1981.

En effet, l’émission se fera cette fois à une température plus froide. Le flux infrarouge sortant sera donc inférieur au flux solaire entrant. Un déséquilibre radiatif responsable d’une accumulation d’énergie, et donc d’un réchauffement du système climatique. Ce dernier verra sa température augmenter jusqu’à atteindre un nouvel équilibre avec un flux sortant redevenu égal au flux entrant. La nouvelle altitude d’émission ayant atteint la température de l’altitude d’émission précédente.

On comprend ainsi comment le CO2 peut réchauffer le climat malgré une absorptivité quasi saturée. Pour mieux se représenter les choses, voici une analogie. Pensez à un réservoir d’eau constamment alimenté par un robinet et vidé par une bonde. Le niveau d’eau (représentant la chaleur) peut augmenter si l’on ouvre le robinet plus généreusement ou si l’on obstrue en partie la bonde. Ici, c’est le dernier effet qui est important (diminution du flux sortant).

Le paradoxe ultime ?

Un dernier niveau de raisonnement met en évidence une faiblesse dans le modèle précédent. Plus précisément, les observations et les simulations montrent qu’avec un réchauffement climatique dû aux GES, le rayonnement sortant augmente trop rapidement pour pouvoir expliquer l’accumulation de chaleur dans le système climatique. Il semble en fait que l’essentiel de cette accumulation provient plutôt d’une augmentation de l’énergie solaire absorbée par la Terre. Autrement dit, d’une diminution de la quantité réfléchie par notre planète. Comment comprendre ce nouveau paradoxe apparent ?

effet de serre
Évolution des flux d’énergie suite à une augmentation instantanée de la concentration atmosphérique en GES. (A). Réponse canonique décrite en section 2. On note la baisse initiale du rayonnement sortant (courbe verte). Puis, la remontée graduelle vers sa valeur d’origine à mesure que le climat se réchauffe. (B). Réponse réaliste telle qu’elle apparaît dans les modèles climatiques. Le rayonnement sortant diminue au départ puis passe rapidement au-dessus de sa valeur d’origine (courbe verte). C’est la hausse du rayonnement solaire absorbé (courbe rouge) qui explique l’essentiel du réchauffement. Autrement dit, les rétroactions mises en route par la hausse des températures. L’axe horizontal traduit les années après perturbation. L’axe vertical traduit le déséquilibre radiatif en W/m². Crédits : Aaron Donohoe & al. 2014.

Effet de serre : une réalité contre-intuitive

Cette question assez difficile a été traitée en détail dans une étude de 2014 parue dans le journal Proceedings of the National Academy of Sciences. Sur la base de simulations numériques et de mesures satellitaires, les auteurs démontrent que le forçage par les GES induit effectivement une baisse du rayonnement sortant. Ce processus initie le réchauffement du climat. Toutefois, après une à deux décennies, le flux sortant a déjà augmenté au-dessus de sa valeur de départ. Autrement dit, la Terre semble émettre plus d’énergie qu’elle n’en absorbe et devrait donc se refroidir. Dans ce cas, pourquoi le réchauffement continue-t-il ?

De façon contre-intuitive, il se trouve que l’accumulation de chaleur est entretenue par des rétroactions déclenchées suite à la hausse initiale des températures. En particulier, la diminution des surfaces englacées et l’augmentation de la quantité de vapeur d’eau dans l’air accroît l’absorption du rayonnement solaire (visible et infrarouge). Pour équilibrer la hausse du flux entrant, le flux sortant doit donc augmenter au-dessus de sa valeur d’origine. En conclusion, la Terre ne perd pas plus d’énergie qu’elle n’en reçoit. La figure ci-dessus permet de mieux se représenter le mécanisme qui vient d’être explicité. Une belle illustration de la complexité du monde naturel et des sciences physiques qui visent à le décrire !

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