Gaz à effet de serre

Un gaz à effet de serre ( GES ou GhG ) est un gaz qui absorbe et émet de l’énergie rayonnante dans le domaine Infrarouge thermique , provoquant l’ effet de serre . ^[1] Les principaux gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère terrestre sont la vapeur d’eau ( H ₂ O ), le dioxyde de carbone (CO ₂ ), le méthane ( CH ₄ ), le protoxyde d’azote ( N ₂ O) et l’ozone ( O ₃ ). Sans gaz à effet de serre, la température moyenne de la surface de la Terre serait d’environ -18 ° C (0 ° F), ^[2] plutôt que la moyenne actuelle de 15 ° C (59 ° F). ^{[3] [4] [5]} Les atmosphères de Vénus , Mars et Titan contiennent également des gaz à effet de serre.

L’ effet de serre du rayonnement solaire à la surface de la Terre causé par l’émission de gaz à effet de serre. Forçage radiatif (influence du réchauffement) de différents contributeurs au changement climatique jusqu’en 2019, comme indiqué dans le sixième rapport d’évaluation du GIEC .

Les activités humaines depuis le début de la révolution industrielle (vers 1750) ont augmenté la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone de près de 50 %, passant de 280 ppm en 1750 à 419 ppm en 2021. ^[6] La dernière fois que la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone a été ce sommet remonte à plus de 3 millions d’années. ^[7] Cette augmentation s’est produite malgré l’absorption de plus de la moitié des émissions par divers Puits de carbone naturels dans le cycle du carbone . ^{[8] [9]}

Aux taux d’émission de gaz à effet de serre actuels, les températures pourraient augmenter de 2 °C (3,6 °F ), ce qui, selon le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) des Nations Unies , est la limite supérieure pour éviter des niveaux « dangereux », d’ici 2050. ^{[10 ]} La grande majorité des émissions anthropiques de dioxyde de carbone proviennent de la combustion de combustibles fossiles , principalement du charbon , du pétrole (y compris le pétrole ) et du gaz naturel , avec des contributions supplémentaires de la déforestation et d’autres changements dans l’utilisation des terres.^{[11] [12]}

Constituants

Les principaux constituants de l’atmosphère terrestre, l’azote ( N₂) (78%), oxygène ( O₂) (21 %), et l’argon (Ar) (0,9 %), ne sont pas des gaz à effet de serre car les molécules contenant deux atomes d’un même élément tel que N₂et O₂n’ont pas de changement net dans la distribution de leurs charges électriques lorsqu’ils vibrent, et les gaz monoatomiques tels que Ar n’ont pas de modes vibrationnels. Ils sont donc presque totalement insensibles au rayonnement infrarouge . Certaines molécules contenant seulement deux atomes d’éléments différents, comme le monoxyde de carbone (CO) et le chlorure d’hydrogène (HCl), absorbent le rayonnement infrarouge, mais ces molécules ont une courte durée de vie dans l’atmosphère en raison de leur réactivité ou de leur solubilité . Par conséquent, ils ne contribuent pas de manière significative à l’effet de serre et sont souvent omis lors de l’examen des gaz à effet de serre.

Absorption et diffusion atmosphériques à différentes longueurs d’ onde des ondes électromagnétiques . La plus grande bande d’absorption du dioxyde de carbone n’est pas loin du maximum dans l’ émission thermique du sol, et elle obture en partie la fenêtre de transparence de l’eau ; d’où son effet majeur.

Les gaz à effet de serre sont ceux qui absorbent et émettent le rayonnement infrarouge dans la gamme de longueurs d’onde émise par la Terre . ^[1] Le dioxyde de carbone (0,04 %), le protoxyde d’azote, le méthane et l’ozone sont des gaz traces qui représentent près de 0,1 % de l’atmosphère terrestre et ont un effet de serre appréciable.

Les gaz à effet de serre les plus abondants dans l’atmosphère terrestre, classés par ordre décroissant de fraction molaire globale moyenne , sont : ^{[13] [14]}

• Vapeur d’eau ( H₂O )
• Dioxyde de carbone ( CO₂)
• Méthane ( CH₄)
• Protoxyde d’azote ( N₂O )
• Ozone ( O₃)
• Chlorofluorocarbures (CFC et HCFC )
• Hydrofluorocarbures (HFC)
• Perfluorocarbures ( CF₄, C₂F₆, etc.), SF₆, et NF₃

Les concentrations atmosphériques sont déterminées par l’équilibre entre les sources (émissions de gaz provenant des activités humaines et des systèmes naturels) et les puits (élimination du gaz de l’atmosphère par conversion en un composé chimique différent ou absorption par les masses d’eau). ^[15] La proportion d’une émission restant dans l’atmosphère après un temps spécifié est la ” fraction en suspension dans l’air ” (FA). La fraction atmosphérique annuelle est le rapport de l’augmentation atmosphérique d’une année donnée aux émissions totales de cette année-là. En 2006, la fraction atmosphérique annuelle de CO ₂ était d’environ 0,45. La fraction annuelle en suspension dans l’air a augmenté à un taux de 0,25 ± 0,21 % par an au cours de la période 1959–2006. ^[16]

Effets radiatifs indirects

Concentrations de monoxyde de carbone au printemps et à l’automne 2000 dans la basse atmosphère montrant une gamme d’environ 390 parties par milliard (pixels brun foncé), à 220 parties par milliard (pixels rouges), à 50 parties par milliard (pixels bleus). ^[17]

L’oxydation du CO en CO ₂ produit directement une augmentation non ambiguë du forçage radiatif bien que la raison soit subtile. Le pic de l’émission IR thermique de la surface de la Terre est très proche d’une forte bande d’absorption vibrationnelle du CO ₂ ( longueur d’onde 15 microns, ou nombre d’ onde 667 cm ⁻¹ ). D’autre part, la seule bande vibrationnelle de CO n’absorbe l’IR qu’à des longueurs d’onde beaucoup plus courtes (4,7 microns ou 2145 cm ^-1 ), où l’émission d’énergie rayonnante de la surface de la Terre est au moins d’un facteur dix inférieure. Oxydation du méthane en CO ₂, qui nécessite des réactions avec le radical OH, produit une réduction instantanée de l’absorption et de l’émission radiative puisque le CO ₂ est un gaz à effet de serre plus faible que le méthane. Cependant, les oxydations de CO et CH₄sont liés puisque les deux consomment des radicaux OH. Dans tous les cas, le calcul de l’effet radiatif total inclut à la fois le forçage direct et indirect.

Un deuxième type d’effet indirect se produit lorsque des réactions chimiques dans l’atmosphère impliquant ces gaz modifient les concentrations de gaz à effet de serre. Par exemple, la destruction des composés organiques volatils non méthaniques (COVNM) dans l’atmosphère peut produire de l’ozone. L’ampleur de l’effet indirect peut dépendre fortement du lieu et du moment où le gaz est émis. ^[18]

Le méthane a des effets indirects en plus de former du CO ₂ . Le principal produit chimique qui réagit avec le méthane dans l’atmosphère est le radical hydroxyle (OH), donc plus de méthane signifie que la concentration de OH diminue. En effet, le méthane augmente sa propre durée de vie atmosphérique et donc son effet radiatif global. L’oxydation du méthane peut produire à la fois de l’ozone et de l’eau; et est une source majeure de vapeur d’eau dans la stratosphère normalement sèche . Le CO et les COVNM produisent du CO ₂ lorsqu’ils sont oxydés. Ils éliminent l’OH de l’atmosphère, ce qui conduit à des concentrations plus élevées de méthane. L’effet surprenant de ceci est que le potentiel de réchauffement global du CO est trois fois supérieur à celui du CO ₂ . ^[19]Le même processus qui convertit les COVNM en dioxyde de carbone peut également conduire à la formation d’ozone troposphérique. Les halocarbures ont un effet indirect car ils détruisent l’ozone stratosphérique. Enfin, l’hydrogène peut conduire à la production d’ozone et de CH₄augmente tout en produisant de la vapeur d’eau stratosphérique. ^[18]

Rôle de la vapeur d’eau

Augmentation de la vapeur d’eau dans la stratosphère à Boulder, Colorado

La vapeur d’eau représente le plus grand pourcentage de l’effet de serre, entre 36% et 66% pour des conditions de ciel clair et entre 66% et 85% en incluant les nuages. ^[20] Les concentrations de vapeur d’eau fluctuent au niveau régional, mais l’activité humaine n’affecte pas directement les concentrations de vapeur d’eau, sauf à des échelles locales, comme à proximité des champs irrigués. Indirectement, l’activité humaine qui augmente les températures mondiales augmentera les concentrations de vapeur d’eau, un processus connu sous le nom de rétroaction de la vapeur d’eau. ^[21] La concentration atmosphérique de vapeur est très variable et dépend largement de la température, de moins de 0,01 % dans les régions extrêmement froides jusqu’à 3 % en masse dans l’air saturé à environ 32 °C. ^[22] (Voir Humidité relative # Autres faits importants.)

Le temps de séjour moyen d’une molécule d’eau dans l’atmosphère n’est que d’environ neuf jours, contre des années ou des siècles pour d’autres gaz à effet de serre tels que le CH₄et CO2 _. ^[23] La vapeur d’eau réagit et amplifie les effets des autres gaz à effet de serre. La relation Clausius – Clapeyron établit que plus de vapeur d’eau sera présente par unité de volume à des températures élevées. Ceci et d’autres principes de base indiquent que le réchauffement associé à des concentrations accrues d’autres gaz à effet de serre augmentera également la concentration de vapeur d’eau (en supposant que l’ Humidité relative reste à peu près constante ; des études de modélisation et d’observation montrent que c’est effectivement le cas). Parce que la vapeur d’eau est un gaz à effet de serre, cela entraîne un réchauffement supplémentaire et donc une ” rétroaction positive ” qui amplifie le réchauffement initial. Finalement, d’autres processus terrestres ^{[qui? ]}compensent ces rétroactions positives, stabilisant la température globale à un nouvel équilibre et empêchant la perte d’eau de la Terre par uneffet de serre incontrôlable. ^[21]

Contribution des nuages ​​à l’effet de serre terrestre

Le principal contributeur non gazeux à l’effet de serre de la Terre, les nuages , absorbe et émet également le rayonnement infrarouge et a donc un effet sur les propriétés radiatives des gaz à effet de serre. Les nuages ​​sont des gouttelettes d’eau ou des cristaux de glace en suspension dans l’atmosphère. ^{[24] [20]}

Impacts sur l’effet de serre global

Schmidt et al. (2010) ^[25] ont analysé comment les composants individuels de l’atmosphère contribuent à l’effet de serre total. Ils ont estimé que la vapeur d’eau représente environ 50 % de l’effet de serre de la Terre, les nuages ​​contribuant pour 25 %, le dioxyde de carbone pour 20 % et les gaz à effet de serre mineurs et les aérosols pour les 5 % restants. Dans l’étude, l’atmosphère du modèle de référence correspond aux conditions de 1980. Crédit image : Nasa . ^[26]

La contribution de chaque gaz à l’effet de serre est déterminée par les caractéristiques de ce gaz, son abondance et tout effet indirect qu’il peut causer. Par exemple, l’effet radiatif direct d’une masse de méthane est environ 84 fois plus fort que la même masse de dioxyde de carbone sur une période de 20 ans ^[27] mais il est présent à des concentrations beaucoup plus faibles de sorte que son effet radiatif direct total a jusqu’à présent été plus petit, en partie en raison de sa durée de vie atmosphérique plus courte en l’absence de séquestration supplémentaire du carbone . D’autre part, en plus de son impact radiatif direct, le méthane a un effet radiatif indirect important car il contribue à la formation d’ozone. Shindel et al. (2005) ^[28]soutient que la contribution au changement climatique du méthane est au moins le double des estimations précédentes en raison de cet effet. ^[29]

Lorsqu’ils sont classés en fonction de leur contribution directe à l’effet de serre, les plus importants sont : ^{[24] [ échec de la vérification ]}

Composé	Formule	Concentration dans l’atmosphère [30] (ppm)	Cotisation (%)
Vapeur d’eau et nuages	H2O	10–50 000 (A)	36–72 %
Gaz carbonique	CO2 _	~400	9–26 %
Méthane	CH4	~1,8	4–9 %
Ozone	O3	2–8 (B)	3–7 %
Remarques: (A) La vapeur d’eau varie fortement localement [31] (B) La concentration dans la stratosphère. Environ 90 % de l’ozone de l’atmosphère terrestre est contenu dans la stratosphère.

Outre les principaux gaz à effet de serre énumérés ci-dessus, les autres gaz à effet de serre comprennent l’hexafluorure de soufre , les Hydrofluorocarbures et les Perfluorocarbures (voir la liste des gaz à effet de serre du GIEC ). Certains gaz à effet de serre ne sont pas souvent répertoriés. Par exemple, le trifluorure d’azote a un potentiel de réchauffement global (GWP) élevé mais n’est présent qu’en très petites quantités. ^[32]

Proportion d’effets directs à un instant donné

Il n’est pas possible d’affirmer qu’un certain gaz provoque un pourcentage exact de l’effet de serre. En effet, certains gaz absorbent et émettent des rayonnements aux mêmes fréquences que d’autres, de sorte que l’effet de serre total n’est pas simplement la somme de l’influence de chaque gaz. Les extrémités supérieures des plages citées concernent chaque gaz seul ; les extrémités inférieures représentent les chevauchements avec les autres gaz. ^{[24] [20]} De plus, certains gaz, comme le méthane, sont connus pour avoir d’importants effets indirects qui sont encore quantifiés. ^[33]

Durée de vie atmosphérique

Hormis la vapeur d’eau , qui a un temps de séjour d’environ neuf jours, ^[34] les principaux gaz à effet de serre sont bien mélangés et mettent de nombreuses années à quitter l’atmosphère. ^[35] Bien qu’il ne soit pas facile de savoir avec précision combien de temps les gaz à effet de serre mettent à quitter l’atmosphère, il existe des estimations pour les principaux gaz à effet de serre. Jacob (1999) ^[36] définit la durée de vie τ {displaystyletau} d’une espèce atmosphérique X dans un modèle à une boîte comme le temps moyen qu’une molécule de X reste dans la boîte. Mathématiquement τ {displaystyletau} peut être défini comme le rapport de la masse m {displaystyle m} (en kg) de X dans la boîte à son taux d’élimination, qui est la somme du flux de X hors de la boîte ( F o u t {displaystyle F_{out}} ), perte chimique de X ( L {displaystyle L} ), et dépôt de X ( D {displaystyle D} ) (tout en kg/s):

τ = m F o u t + L + D {displaystyle tau ={frac {m}{F_{out}+L+D}}} . ^[36]

Si l’entrée de ce gaz dans la boîte a cessé, alors après un certain temps τ {displaystyletau} , sa concentration diminuerait d’environ 63 %.

La durée de vie atmosphérique d’une espèce mesure donc le temps nécessaire pour rétablir l’équilibre suite à une augmentation ou une diminution brutale de sa concentration dans l’atmosphère. Des atomes ou molécules individuels peuvent être perdus ou déposés dans des puits tels que le sol, les océans et d’autres eaux, ou la végétation et d’autres systèmes biologiques, réduisant ainsi l’excès aux concentrations de fond. Le temps moyen nécessaire pour y parvenir est la Durée de vie moyenne .

Le dioxyde de carbone a une durée de vie atmosphérique variable et ne peut pas être spécifié avec précision. ^{[37] [27]} Bien que plus de la moitié du CO ₂ émis soit retiré de l’atmosphère en un siècle, une partie (environ 20 %) du CO ₂ émis reste dans l’atmosphère pendant plusieurs milliers à des centaines de milliers d’années. ^{[38] [39] [40] [41]} Des problèmes similaires s’appliquent à d’autres gaz à effet de serre, dont beaucoup ont des durées de vie moyennes plus longues que le CO ₂ , par exemple le N ₂ O a une durée de vie atmosphérique moyenne de 121 ans. ^[27]

Forçage radiatif et indice annuel de gaz à effet de serre

Le forçage radiatif (influence réchauffante) des gaz à effet de serre atmosphériques à longue durée de vie s’est accéléré, doublant presque en 40 ans. ^{[42] [43]}

La Terre absorbe une partie de l’énergie rayonnante reçue du soleil, en réfléchit une partie sous forme de lumière et réfléchit ou renvoie le reste vers l’espace sous forme de chaleur . La température de surface d’une planète dépend de cet équilibre entre l’énergie entrante et sortante. Lorsque l’équilibre énergétique de la Terre est modifié, sa surface devient plus chaude ou plus froide, entraînant une variété de changements dans le climat mondial. ^[44]

Un certain nombre de mécanismes naturels et créés par l’homme peuvent influer sur l’équilibre énergétique mondial et provoquer des changements dans le climat de la Terre. Les gaz à effet de serre sont l’un de ces mécanismes. Les gaz à effet de serre absorbent et émettent une partie de l’énergie émise par la surface de la Terre, entraînant la rétention de cette chaleur dans la basse atmosphère. ^[44] Comme expliqué ci-dessus , certains gaz à effet de serre restent dans l’atmosphère pendant des décennies, voire des siècles, et peuvent donc affecter le Bilan énergétique de la Terre sur une longue période. Forçage radiatifquantifie (en watts par mètre carré) l’effet des facteurs qui influencent le Bilan énergétique de la Terre ; y compris les changements dans les concentrations de gaz à effet de serre. Le forçage radiatif positif conduit au réchauffement en augmentant l’énergie entrante nette, tandis que le forçage radiatif négatif conduit au refroidissement. ^[45]

L’indice annuel des gaz à effet de serre (AGGI) est défini par les scientifiques de l’atmosphère de la NOAA comme le rapport du forçage radiatif direct total dû aux gaz à effet de serre à longue durée de vie et bien mélangés pour toute année pour laquelle des mesures globales adéquates existent, à celui présent en 1990 ^[43] [ ^46] Ces niveaux de forçage radiatif sont relatifs à ceux présents en l’an 1750 (c’est-à-dire avant le début de l’ ère industrielle ). 1990 est choisie car c’est l’année de référence pour le protocole de Kyoto et l’année de publication de la première évaluation scientifique du GIEC sur le changement climatique.. En tant que tel, la NOAA déclare que l’AGGI “mesure l’engagement que la société (mondiale) a déjà pris de vivre dans un climat changeant. Il est basé sur les observations atmosphériques de la plus haute qualité provenant de sites du monde entier. Son incertitude est très faible”. ^[47]

Potentiel de réchauffement planétaire

Le potentiel de réchauffement global (PRG) dépend à la fois de l’efficacité de la molécule en tant que gaz à effet de serre et de sa durée de vie dans l’atmosphère. Le GWP est mesuré par rapport à une même masse de CO ₂ et évalué pour une échelle de temps spécifique. ^[38] Ainsi, si un gaz a un forçage radiatif élevé (positif) mais aussi une courte durée de vie, il aura un GWP important sur une échelle de 20 ans mais un petit sur une échelle de 100 ans. Inversement, si une molécule a une durée de vie atmosphérique supérieure à celle du CO ₂ , son GWP augmentera lorsque l’échelle de temps est considérée. Le dioxyde de carbone est défini comme ayant un GWP de 1 sur toutes les périodes.

Le méthane a une durée de vie atmosphérique de 12 ± 2 ans. ^[48] ​​Le rapport 2021 du GIEC répertorie le GWP comme 83 sur une échelle de temps de 20 ans, 30 sur 100 ans et 10 sur 500 ans. ^[48] ​​Une analyse de 2014, cependant, indique que bien que l’impact initial du méthane soit environ 100 fois supérieur à celui du CO ₂ , en raison de la durée de vie atmosphérique plus courte, après six ou sept décennies, l’impact des deux gaz est à peu près égal, et dès lors, le rôle relatif du méthane ne cesse de diminuer. ^[49] La diminution du GWP à des temps plus longs est due au fait que le méthane se décompose en eau et en CO ₂ par des réactions chimiques dans l’atmosphère.

Des exemples de durée de vie atmosphérique et de GWP par rapport au CO ₂ pour plusieurs gaz à effet de serre sont donnés dans le tableau suivant :

Durée de vie atmosphérique et GWP par rapport au CO ₂ à différents horizons temporels pour divers gaz à effet de serre

Nom du gaz	Formule chimique	Durée de vie (années) [48] [27]	Efficacité Radiative (Wm −2 ppb −1 , base molaire) [48] [27]	Potentiel de réchauffement global (PRG) pour un horizon temporel donné
20 ans [48] [27]	100 ans [48] [27]	500 ans [48] [50]
Gaz carbonique	CO2 _	(UN)	1,37 × 10 −5	1	1	1
Méthane (fossile)	CH4	12	5,7 × 10 −4	83	30	dix
Méthane (non fossile)	CH4	12	5,7 × 10 −4	81	27	7.3
Protoxyde d’azote	N2O	109	3 × 10 −3	273	273	130
CFC-11	CCl3F	52	0,29	8 321	6 226	2 093
CFC-12	CCl2F2	100	0,32	10 800	10 200	5 200
HCFC-22	CHClF2	12	0,21	5 280	1 760	549
HFC-32	CH2F2	5	0,11	2 693	771	220
HFC-134a	CH2FCF3	14	0,17	4 144	1 526	436
Tétrafluorométhane	FC4	50 000	0,09	5 301	7 380	10 587
Hexafluoroéthane	C2F6	10 000	0,25	8 210	11 100	18 200
Hexafluorure de soufre	SF6	3 200	0,57	17 500	23 500	32 600
Trifluorure d’azote	NF3	500	0,20	12 800	16 100	20 700
(A) Aucune durée de vie unique pour le CO 2 atmosphérique ne peut être donnée.

L’utilisation du CFC-12 (à l’exception de certaines utilisations essentielles) a été supprimée en raison de ses propriétés d’appauvrissement de la couche d’ ozone . ^[51] L’élimination des composés HCFC moins actifs sera achevée en 2030. ^[52]

Dioxyde de carbone dans l’ atmosphère terrestre si la moitié des émissions de réchauffement global ^{[53] [54]} ne sont pas absorbées. ( Simulation NASA ; 9 novembre 2015)

Sources naturelles et anthropiques

En haut : Augmentation des niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique mesurés dans l’atmosphère et reflétés dans les carottes de glace . En bas : la quantité d’augmentation nette de carbone dans l’atmosphère, par rapport aux émissions de carbone provenant de la combustion de combustibles fossiles .

Mis à part les halocarbures synthétiques purement produits par l’homme, la plupart des gaz à effet de serre ont des sources à la fois naturelles et d’origine humaine. Au cours de l’ Holocène préindustriel , les concentrations de gaz existants étaient à peu près constantes, car les grandes sources et puits naturels s’équilibraient à peu près. À L’ère industrielle, les activités humaines ont ajouté des gaz à effet de serre dans l’atmosphère, principalement par la combustion de combustibles fossiles et le défrichement des forêts. ^{[55] [56]}

Le sixième rapport d’évaluation du GIEC de 2021 a noté que « du point de vue des sciences physiques, limiter le réchauffement climatique d’origine humaine à un niveau spécifique nécessite de limiter les émissions cumulées de CO2, d’atteindre au moins zéro émission nette de CO2, ainsi que de fortes réductions des autres émissions de gaz à effet de serre. Fort , des réductions rapides et soutenues des émissions de CH4 limiteraient également l’effet de réchauffement résultant de la diminution de la pollution par les aérosols et amélioreraient la qualité de l’air.” ^[57]

Abréviations utilisées dans les deux tableaux ci-dessous : ppm = Parties par million ; ppb = parties par milliard ; ppt = parties par billion ; W/m ² = watts par mètre carré

Concentrations actuelles de gaz à effet de serre ^[58]

Pertinent pour le forçage radiatif et/ou l’appauvrissement de la couche d’ ozone ; tous les éléments suivants n’ont pas de sources naturelles et donc des quantités nulles préindustrielles ^[58]

Gaz	Concentration troposphérique d’avant 1750 [59]	Concentration troposphérique récente [60]	Augmentation absolue depuis 1750	Augmentation en pourcentage depuis 1750	Augmentation du forçage radiatif (W/m 2 ) [61]
Dioxyde de carbone (CO 2 )	280 ppm [62]	411 ppm [63]	131 ppm	47%	2,05 [64]
Méthane ( CH4)	700 ppb [65]	1893 ppb / [66] [67] 1762 ppb [66]	1193 ppb / 1062 ppb	170,4 % / 151,7 %	0,49
Protoxyde d’azote ( N2O )	270 ppb [61] [68]	326 ppb / [66] 324 ppb [66]	56 ppb / 54 ppb	20,7 % / 20,0 %	0,17
Ozone troposphérique ( O3)	237 ppb [59]	337 ppb [59]	100 ppb	42%	0,4 [69]
Gaz	Concentration troposphérique récente	Augmentation du forçage radiatif (W/m 2 )
CFC-11 (trichlorofluorométhane) ( CCl3F )	236 points / 234 points	0,061
CFC-12 ( CCl2F2)	527 ppt / 527 ppt	0,169
CFC-113 ( Cl2FC-CCIF2)	74 points / 74 points	0,022
HCFC-22 ( CHClF2)	231 points / 210 points	0,046
HCFC-141b ( CH3CCl2F )	24 points / 21 points	0,0036
HCFC-142b ( CH3CCIF2)	23 points / 21 points	0,0042
Halon 1211 ( CBrClF2)	4,1 ppt / 4,0 ppt	0,0012
Halon 1301 ( CBrClF3)	3,3 ppt / 3,3 ppt	0,001
HFC-134a ( CH2FCF3)	75 points / 64 points	0,0108
Tétrachlorure de carbone ( CCl4)	85 points / 83 points	0,0143
Hexafluorure de soufre ( SF6)	7,79 ppt / [70] 7,39 ppt [70]	0,0043
Autres halocarbures	Varie selon la substance	collectivement 0,02
Halocarbures au total	0,3574

400 000 ans de données sur les carottes de glace

Les carottes de glace fournissent des preuves des variations de concentration de gaz à effet de serre au cours des 800 000 dernières années (voir la section suivante ). CO ₂ et CH₄varient entre les phases glaciaires et interglaciaires, et les concentrations de ces gaz sont fortement corrélées à la température. Il n’existe pas de données directes pour les périodes antérieures à celles représentées dans l’enregistrement des carottes de glace, un enregistrement qui indique que les fractions molaires de CO ₂ sont restées dans une fourchette de 180 ppm à 280 ppm tout au long des 800 000 dernières années, jusqu’à l’augmentation des 250 dernières années. Cependant, divers proxys et modèles suggèrent des variations plus importantes dans les époques passées; Il y a 500 millions d’années, les niveaux de CO ₂ étaient probablement 10 fois plus élevés qu’aujourd’hui. ^[71] En effet, on pense que des concentrations plus élevées de CO ₂ ont prévalu tout au long de la majeure partie de l’ éon phanérozoïque , avec des concentrations quatre à six fois les concentrations actuelles au cours de l’ère mésozoïque, et dix à quinze fois les concentrations actuelles au début de l’ère paléozoïque jusqu’au milieu de la période dévonienne , environ 400 Ma . ^{[72] [73] [74]} On pense que la propagation des plantes terrestres a réduit les concentrations de CO ₂ au cours du Dévonien supérieur, et les activités des plantes en tant que sources et puits de CO ₂ ont depuis été importantes pour fournir des rétroactions stabilisatrices. ^[75] Plus tôt encore, une période de 200 millions d’années de glaciation intermittente et généralisée s’étendant près de l’équateur ( Snowball Earth) semble avoir pris fin soudainement, il y a environ 550 Ma, par un dégazage volcanique colossal qui a brusquement élevé la concentration de CO ₂ de l’atmosphère à 12 %, environ 350 fois les niveaux modernes, provoquant des conditions de serre extrêmes et un dépôt de carbonate sous forme de calcaire au rythme de environ 1 mm par jour. ^[76] Cet épisode a marqué la fin de l’éon précambrien , et a été suivi par les conditions généralement plus chaudes du Phanérozoïque, au cours desquelles la vie animale et végétale multicellulaire a évolué. Aucune émission de dioxyde de carbone volcanique d’une ampleur comparable ne s’est produite depuis. À l’ère moderne, les émissions dans l’atmosphère des volcans sont d’environ 0,645 milliard de tonnes de CO ₂par an, alors que les humains émettent 29 milliards de tonnes de CO ₂ chaque année. ^{[77] [76] [78] [79]}

Carottes de glace

Les mesures des carottes de glace antarctique montrent qu’avant le début des émissions industrielles, les fractions molaires de CO ₂ atmosphérique étaient d’environ 280 Parties par million (ppm) et sont restées entre 260 et 280 au cours des dix mille années précédentes. ^[80] Les fractions molaires de dioxyde de carbone dans l’atmosphère ont augmenté d’environ 35 % depuis les années 1900, passant de 280 Parties par million en volume à 387 Parties par million en 2009. Une étude utilisant des preuves de stomates de feuilles fossilisées suggère une plus grande variabilité, avec des fractions molaires de dioxyde de carbone supérieures à 300 ppm au cours de la période d’il y a sept à dix mille ans, ^[81]bien que d’autres aient fait valoir que ces résultats reflètent plus probablement des problèmes d’étalonnage ou de contamination plutôt que la variabilité réelle du CO _{2 .} ^{[82] [83]} En raison de la façon dont l’air est emprisonné dans la glace (les pores de la glace se ferment lentement pour former des bulles au plus profond du névé) et de la période de temps représentée dans chaque échantillon de glace analysé, ces chiffres représentent des moyennes des concentrations atmosphériques de jusqu’à quelques siècles plutôt qu’à des niveaux annuels ou décennaux.

Changements depuis la révolution industrielle

Augmentation récente d’une année à l’autre du CO ₂ atmosphérique . Grandes tendances des gaz à effet de serre.

Depuis le début de la révolution industrielle , les concentrations de nombreux gaz à effet de serre ont augmenté. Par exemple, la fraction molaire de dioxyde de carbone est passée de 280 ppm à 415 ppm, soit 120 ppm par rapport aux niveaux préindustriels modernes. La première augmentation de 30 ppm a eu lieu en 200 ans environ, du début de la révolution industrielle à 1958 ; cependant, la prochaine augmentation de 90 ppm a eu lieu en 56 ans, de 1958 à 2014. ^{[84] [85]}

Des données récentes montrent également que la concentration augmente à un rythme plus élevé. Dans les années 1960, l’augmentation annuelle moyenne n’était que de 37 % de ce qu’elle était de 2000 à 2007. ^[86]

Les émissions cumulées totales de 1870 à 2017 étaient de 425 ± 20 GtC (1539 GtCO ₂ ) provenant des combustibles fossiles et de l’industrie, et de 180 ± 60 GtC (660 Gt CO ₂ ) du changement d’utilisation des terres . Le changement d’affectation des terres, comme la déforestation , a causé environ 31 % des émissions cumulées sur la période 1870-2017, le charbon 32 %, le pétrole 25 % et le gaz 10 %. ^[87]

Aujourd’hui, ^{[ quand ? ]} le stock de carbone dans l’atmosphère augmente de plus de 3 millions de tonnes par an (0,04%) par rapport au stock existant. ^{[ précision nécessaire ]} Cette augmentation est le résultat des activités humaines par la combustion de combustibles fossiles, la déforestation et la dégradation des forêts dans les régions tropicales et boréales. ^[88]

Les autres gaz à effet de serre produits par l’activité humaine présentent des augmentations similaires en quantité et en taux d’augmentation. De nombreuses observations sont disponibles en ligne dans diverses bases de données d’observation de la chimie atmosphérique .

Émissions anthropiques de gaz à effet de serre

La façon dont la terre est utilisée affecte le changement climatique et l’émission de gaz à effet de serre ; le secteur de l’agriculture, de l’utilisation des terres et des autres utilisations des terres a représenté en moyenne 13 à 21 % des émissions mondiales totales de gaz à effet de serre (GES) anthropiques au cours de la période 2010-2019 (confiance moyenne). ^[89]

Les États-Unis, la Chine et la Russie ont cumulé les plus grandes quantités de CO ₂ depuis 1850. ^[90] Cette section est un extrait de Émissions de gaz à effet de serre § Sources . [ modifier ]

Depuis environ 1750, l’activité humaine a augmenté la concentration de dioxyde de carbone et d’autres gaz à effet de serre. En 2021, les concentrations atmosphériques mesurées de dioxyde de carbone étaient près de 50 % supérieures aux niveaux préindustriels. ^[91] Les sources naturelles de dioxyde de carbone sont plus de 20 fois plus importantes que les sources dues à l’activité humaine, ^[92] mais sur des périodes supérieures à quelques années, les sources naturelles sont étroitement équilibrées par les puits naturels, principalement la photosynthèse des composés carbonés par les plantes et les océans. plancton . L’absorption du rayonnement infrarouge terrestre par des gaz absorbants à ondes longues fait de la Terre un émetteur moins efficace. Par conséquent, pour que la Terre émette autant d’énergie qu’elle en absorbe, les températures mondiales doivent augmenter.

On estime que la combustion de combustibles fossiles a émis 62 % des GES humains de 2015. ^[93] La plus grande source unique est les centrales électriques au charbon, avec 20 % des GES en 2021. ^[94]

Retrait de l’atmosphère

Processus naturels

Les gaz à effet de serre peuvent être éliminés de l’atmosphère par divers processus, en conséquence de :

• un changement physique (la condensation et les précipitations éliminent la vapeur d’eau de l’atmosphère).
• une réaction chimique dans l’atmosphère. Par exemple, le méthane est oxydé par réaction avec le radical hydroxyle naturel , OH · et dégradé en CO ₂ et en vapeur d’eau (le CO ₂ issu de l’oxydation du méthane n’est pas inclus dans le potentiel de réchauffement global du méthane ). D’autres réactions chimiques comprennent la chimie en solution et en phase solide se produisant dans les aérosols atmosphériques.
• un échange physique entre l’atmosphère et les autres composants de la planète. Un exemple est le mélange des gaz atmosphériques dans les océans.
• une modification chimique à l’interface entre l’atmosphère et les autres composants de la planète. C’est le cas du CO ₂ , qui est réduit par la photosynthèse des végétaux, et qui, après dissolution dans les océans, réagit pour former de l’acide carbonique et des ions bicarbonate et carbonate (voir acidification des océans ).
• un changement photochimique . Les halocarbures sont dissociés par la lumière UV libérant Cl · et F · sous forme de radicaux libres dans la stratosphère avec des effets nocifs sur l’ozone (les halocarbures sont généralement trop stables pour disparaître par réaction chimique dans l’atmosphère).

Émissions négatives

Un certain nombre de technologies éliminent les émissions de gaz à effet de serre de l’atmosphère. Les plus largement analysés sont ceux qui éliminent le dioxyde de carbone de l’atmosphère, soit vers des formations géologiques telles que la bioénergie avec capture et stockage du carbone et capture de l’air du dioxyde de carbone [ 95 ^] , soit vers le sol comme dans le cas du biochar . ^[95] Le GIEC a souligné que de nombreux modèles de scénarios climatiques à long terme nécessitent des émissions négatives d’origine humaine à grande échelle pour éviter de graves changements climatiques. ^[96]

Histoire de la recherche scientifique

À la fin du 19e siècle, les scientifiques ont découvert expérimentalement que N₂et O₂n’absorbent pas le rayonnement infrarouge (appelé, à l’époque, “rayonnement sombre”), tandis que l’eau (à la fois sous forme de vraie vapeur et condensée sous forme de gouttelettes microscopiques en suspension dans les nuages) et le CO ₂ et d’autres molécules gazeuses polyatomiques absorbent l’infrarouge radiation. ^{[97] [98]} Au début du 20e siècle, les chercheurs ont réalisé que les gaz à effet de serre dans l’atmosphère rendaient la température globale de la Terre plus élevée qu’elle ne le serait sans eux. À la fin du 20e siècle, un consensus scientifique s’est dégagé selon lequel l’augmentation des concentrations de gaz à effet de serre dans l’atmosphère provoque une augmentation substantielle des températures mondiales et des changements dans d’autres parties du système climatique, ^[99] avec des conséquences pour lel’environnement et pour la santé humaine .

Voir également

• Portail sur le changement climatique
• Portail environnement
• Portail des énergies renouvelables

• Attribution du changement climatique récent
• Plafonnement et échange
• Comptabilité carbone
• Crédit carbone
• Neutralité carbone
• Compensation carbone
• Taxe sur le carbone
• Dette à effet de serre
• Surveillance des gaz à effet de serre
• L’économie de l’hydrogène
• Système intégré d’observation du carbone
• Économie bas carbone
• Accord de Paris
• Perfluorotributylamine
• Propriétés physiques des gaz à effet de serre
• Mesure de la durabilité
• La gestion des déchets
• Véhicule zéro émission

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60. ^ Étant donné que les concentrations atmosphériques de la plupart des gaz ont tendance à varier systématiquement au cours d’une année, les chiffres indiqués représentent des moyennes sur une période de 12 mois pour tous les gaz à l’exception de l’ozone (O3), pour lequel une valeur mondiale actuelle a été estimée (GIEC, 2001 , tableau 4.1a). Les moyennes de CO ₂ pour l’année 2012 sont tirées de la National Oceanic and Atmospheric Administration, Earth System Research Laboratory, site Web : www.esrl.NOAA.gov/gmd/ccgg/trends maintenu par le Dr Pieter Tans. Pour les autres espèces chimiques, les valeurs données sont des moyennes pour 2011. Ces données se trouvent sur le site internet du CDIAC AGAGE : http://cdiac.ornl.gov/ndps/alegage.html Archivé le 21 janvier 2013 à la Wayback Machine ou à l’AGAGE page d’accueil :http://agage.eas.gatech.edu Archivé le 7 janvier 2015 sur Wayback Machine .
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65. ^ ppb = parties par milliard
66. ^ ^{a b c d} La première valeur dans une cellule représente Mace Head, Irlande, un site de l’hémisphère nord de latitude moyenne, tandis que la deuxième valeur représente Cape Grim , Tasmanie , un site de l’hémisphère sud de latitude moyenne. Les valeurs “courantes” données pour ces gaz sont des moyennes arithmétiques annuelles basées sur les concentrations de fond mensuelles pour l’année 2011. Le SF₆les valeurs proviennent du système de mesure Medusa de chromatographie en phase gazeuse AGAGE – spectromètre de masse (gc-ms).
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Lectures complémentaires

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• Chen, D.; Rojas, M.; Samset, BH ; Cobb, K.; et coll. (2021). “Chapitre 1 : Cadrage, contexte et méthodes” (PDF) . GIEC AR6 WG1 2021 . p. 1–215.
• GIEC (2021). Masson-Delmotte, V.; Zhai, P.; Pirani, A.; Connors, SL ; et coll. (éd.). Changement climatique 2021 : La base des sciences physiques (PDF) . Contribution du Groupe de travail I au sixième rapport d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat. Cambridge University Press (sous presse).
• GIEC AR4 WG1 (2007), Solomon, S. ; Qin, D.; Manning, M.; Chen, Z.; Marquis, M.; Averyt, KB; Tignor, M.; Miller, HL (eds.), Climate Change 2007: The Physical Science Basis – Contribution du groupe de travail I (WG1) au quatrième rapport d’évaluation (AR4) du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) , Cambridge University Press, ISBN 978-0521880091(pb: ISBN 978-0521705967 )
• Rogner, H.-H. ; Zhou, D.; Bradley, R.; Crabbé, P.; Edenhofer, O.; Lièvre, B. ; Kuijpers, L.; Yamaguchi, M. (2007), B. Metz; OU Davidson ; PR Bosch ; R.Dave; LA Meyer (eds.), Changement climatique 2007 : Atténuation. Contribution du Groupe de travail III au quatrième rapport d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat , Cambridge University Press, ISBN 978-0521880114, archivé de l’original le 21 janvier 2012 , récupéré le 14 janvier 2012

Liens externes

• Médias liés aux gaz à effet de serre sur Wikimedia Commons
• Carbon Dioxide Information Analysis Center (CDIAC) , US Department of Energy , récupéré le 26 juillet 2020
• Les données officielles sur les émissions de gaz à effet de serre des pays développés de la CCNUCC
• Gaz à effet de serre à Curlie
• Indice annuel des gaz à effet de serre (AGGI) de la NOAA
• Spectres atmosphériques des GES et autres gaz traces