Gaz à Effet de Serre et Température : quels liens ?

Dioxyde de carbone, méthane… Les gaz à effet de serre font beaucoup parler d’eux, et pour cause : ils ont un impact direct sur le réchauffement climatique en cours. Principalement émis par les activités humaines, ils sont la source de problématiques environnementales importantes. Pourtant, savez-vous quels liens existent entre ces gaz à effet de serre et la température des différentes couches de l’atmosphère terrestre ? Si la réponse est « non », pas d’inquiétude : nous vous expliquons tout !

Les gaz à effet de serre… qu’est-ce que c’est ?

Définition

Nul besoin de présenter les gaz à effet de serre (ou GES) ? Pourtant, il est bien probable que plus d’une personne ne connaisse pas exactement leur rôle dans notre climat terrestre !

L’effet de serre a été découvert par le mathématicien français Jean-Baptiste Fourier, au XIX^e siècle. Ce dernier a décrit un phénomène physique semblable à celui de la serre, mais que l’on retrouve au niveau de l’atmosphère terrestre. Autrement dit, celle-ci retient une partie des infrarouges qui nous arrivent du soleil. Ce processus est essentiel pour maintenir une température qui favorise la vie sur Terre (sans lui, nous aurions une température globale de -18°C !). Or, ce sont les GES qui lui permettent d’exister.

Néanmoins, du fait des nombreuses interactions entre les continents, les océans, les mers et l’air, le taux de ces gaz dans l’atmosphère peut varier. Or, la moindre fluctuation a un impact direct sur notre climat. Raison pour laquelle nos émissions anthropiques (c’est-à-dire qui sont issues de l’activité humaine) conduisent à un changement climatique.

Ne confondez pas météo et climat !

Vous faites partie de ces personnes qui se demandent pourquoi on a encore des températures basses en hiver alors que tout le monde parle d’un réchauffement climatique ?

En effet, lorsqu’on parle de températures dans la vie quotidienne, on évoque plus volontiers la météo locale. Difficile alors d’imaginer autre chose. Pourtant, au niveau plus global, nous pouvons parler d’une « température moyenne » de la Terre. Celle-ci est aujourd’hui d’environ 15 °C. Ce qui n’a rien à voir avec les + 30 °C obtenues sur les plages de la Méditerranée en été !

C’est justement cette température moyenne que nos émissions anthropiques de GES impactent. D’après le rapport du GIEC en date du 9 août 2021, elle aurait augmenté, en 2021, de 1,1°C par rapport à l’ère pré-industrielle.

Vous pensez que ce changement n’est pas si important ? Et pourtant, cette petite modification a de nombreuses conséquences, comme la multiplication des phénomènes météorologiques rares (tels que des canicules ou des tornades), la fonte des glaciers, l’acidification des océans, la prolifération de nuisibles et de maladies, etc.

Quels sont les principaux GES ?

Bien sûr, tous les gaz émis dans l’atmosphère ne jouent pas le rôle de GES ! Certains sont plutôt des polluants. Ceux-ci ont un impact local sur la santé des populations mais pas de conséquences sur les températures des différentes couches de l’atmosphère.

Ainsi, les principaux gaz à effet de serre sont les suivants :

• la vapeur d’eau, qui est même le principal GES d’origine naturelle ;
• le dioxyde de carbone, qu’on ne présente plus ;
• le méthane, produit par la fermentation de matières organiques (et donc en grande partie par l’agriculture intensive) ;
• le protoxyde d’azote, qui provient notamment des engrais azotés ;
• l’ozone.

Le lien entre les gaz à effet de serre et la température dans la troposphère

La troposphère est la couche de l’atmosphère qui est en contact direct avec la surface terrestre. Autrement dit, c’est là où nous évoluons, et là où siège le réchauffement global.

Mais par quoi se caractérise cette couche terrestre ? Déjà, par un profil de température décroissant : plus nous gagnons de l’altitude, plus il fait froid. On perd ainsi 6,5 °C par km en moyenne d’après Météo France : c’est ce qu’on appelle le gradient thermique vertical de la troposphère. Vous savez désormais pourquoi vous avez plus de chances d’avoir besoin d’un équipement bien chaud en haut du Mont-Blanc que sur la plage !

Quelques exceptions locales peuvent parfois être notées, néanmoins nous ne nous en préoccuperons que peu ici. Notez toutefois que, près du sol, les variations en température sont localement très importantes : cette zone proche de la surface terrestre s’appelle la couche limite atmosphérique.

Par ailleurs, l’épaisseur de la troposphère varie en fonction de la zone géographique : elle est de 7 – 10 km dans les régions polaires, et de 15 – 20 km dans les régions intertropicales. Il s’agit de la couche de l’atmosphère la plus turbulente, et elle contient quasiment toute la vapeur d’eau de l’atmosphère.

Mais comment l’augmentation de la concentration des gaz à effet de serre impacte-t-elle le profil de température de cette couche atmosphérique ? En réalité, nous l’avons déjà décrit plus haut : ces composés provoquent une hausse des températures de la troposphère. En effet, les GES y sont, de base, présents en quantité très importante. Ainsi, plus leur concentration augmente et plus il leur est facile d’accroître la température dans cette couche de l’atmosphère, en absorbant l’énergie solaire.

Les conséquences des gaz à effet de serre sur la température de la stratosphère

Stratosphère : qu’est-ce que c’est ?

Séparée de la troposphère par la tropopause, la stratosphère a été découverte par le météorologiste français Léon Teisserenc de Bort en 1902.

Pauvre en vapeur d’eau, elle présente une température qui :

• est relativement stable dans la zone isotherme (ou basse stratosphère) ;
• augmente au-delà de cette zone pour atteindre entre 0 et 10 °C vers 50 – 55 km d’altitude (au niveau de la stratopause, limite qui sépare la stratosphère de la mésosphère).

Ici, l’augmentation des émissions de GES conduit à un refroidissement de la stratosphère. Pourquoi ? Les processus physiques en jeu sont complexes mais, pour faire simple, la chaleur qui est captée par les GES dans la troposphère n’est plus disponible pour la stratosphère.

Le cas particulier de l’ozone

Dans cette couche, l’ozone joue un rôle essentiel :

• il absorbe les rayons ultraviolets du soleil, très mauvais pour la vie sur Terre ;
• il réchauffe l’air et maintient les températures caractéristiques de la stratosphère.

D’ailleurs, sa concentration y est importante : de 10 ppmv, contre 0,04 ppmv dans la troposphère. Comment est-ce possible ? Tout simplement grâce à divers processus chimiques qui ont lieu dans la stratosphère, telles que la photodissociation du dioxygène (l’O₂ se transforme alors en O₃).

Sauf que, là aussi, les émissions anthropiques ont un impact sur la concentration en O₃. En effet, les chlorofluorocarbures (et d’autres gaz) rejetés dans la troposphère vont jusque dans la stratosphère, où ils décomposent l’ozone. D’où le très fameux « trou » d’ozone au-dessus de l’Arctique. En réalité, il s’agit plutôt d’un amincissement de la couche d’ozone, dont l’épaisseur varie au cours du temps.

Les conséquences ? Une moins bonne protection des êtres vivants contre les UV et une chute importante de la température stratosphérique lors du printemps austral (jusqu’à – 80 °C !). Cette baisse vient alors se combiner à celle produite par l’augmentation des autres gaz à effet de serre (notamment le CO₂). Ceci peut entraîner la formation de nuages stratosphériques polaires, qui vont contribuer (via plusieurs processus chimiques) à la destruction de l’ozone. Bref, un cercle vicieux se met en place…

Impact des GES sur les autres couches de l’atmosphère

La mésosphère

Au-delà de la stratosphère, on retrouve la mésosphère, qui se situe entre 50 et 80 km d’altitude. Le profil vertical de température y est à nouveau décroissant.

Avec les émissions anthropiques des gaz à effet de serre, cette couche atmosphérique a également tendance à se contracter et à se refroidir. C’est du moins ce qu’en a conclu la NASA en 2021 : la mésosphère, durant l’été, se refroidit de 2 à 3 °C et perd de 150 à 200 mètres d’épaisseur par décennie.

La thermosphère

Au-delà de 85 km environ, nous nous trouvons en présence de la thermosphère. Néanmoins, les molécules de gaz y sont si rares qu’établir une relation entre gaz à effet de serre et température à cette altitude n’a plus vraiment de sens…

La composition de notre atmosphère est complexe, et les processus chimiques qui y siègent ne sont pas encore entièrement connus. Malgré tout, le lien entre gaz à effet de serre et température est scientifiquement avéré au niveau de la basse et de la moyenne atmosphère. Mais nous avons vu que les émissions anthropiques ont d’autres conséquences : dans la stratosphère, le trou d’ozone conduit à d’autres préoccupations environnementales. C’est d’ailleurs pour lutter contre ce trou que les chlorofluorocarbures, ou CFC, ont été interdits en 2000 en Europe. Néanmoins, trouver des alternatives aux énergies actuellement employées (et rejetant beaucoup de CO₂) se révèle bien plus délicat.