Gaz à effet de serre

Mesure du CO2 atmosphérique par l'observatoire de Mauna Loa à Hawaii

Les principaux gaz à effet de serre non-artificiels sont :

• la vapeur d'eau (H₂O),
• le dioxyde de carbone (CO₂),
• le méthane (CH₄),
• le protoxyde d'azote (N₂O) et
• l'ozone (O₃).

Les gaz à effet de serre industriels incluent des gaz fluorés comme :

• les chlorofluorocarbures (CFC) et HCFC-22 comme le fréon,
• le perfluorométhane (CF₄)
• l'hexafluorure de soufre (SF₆).

La vapeur d'eau est à l'origine de 55% de l'effet de serre.
Le gaz carbonique additionnel libéré par les activités humaines est responsable de 55% de l'accroissement de l'effet de serre^[1].

Le mécanisme de l'effet de serre

Evolution du CO2 depuis 400 000 ans

Sous l'effet des GES, l'atmosphère terrestre se comporte comme la vitre d'une serre, laissant entrer une large part du rayonnement solaire, mais retenant le rayonnement infrarouge réémis.

La transparence de l'atmosphère (dans le visible) permet au rayonnement solaire d'atteindre le sol. L'énergie ainsi apportée s'y transforme en chaleur. Comme tout corps chaud, la surface de la terre a tendance à rayonner une partie de sa chaleur vers les corps plus froids qui l'environnent. Mais les GES et les nuages sont opaques aux rayons infrarouges émis par la terre. En absorbant ces rayonnements, ils emprisonnent la chaleur près de la surface du globe, où elle réchauffe l'atmosphère basse.

L'effet de serre, principalement dû à la vapeur d'eau (0,3% en volume, 55% de l'effet de serre) et aux nuages (17% de l'effet de serre), porte la température moyenne à la surface de la terre de -18 à +15°C.

Émissions dûes aux activités humaines

Les centrales thermiques à flamme causent une bonne part des émissions de GES (Ici à Porcheville, Yvelines)

 Les concentrations en gaz à effet de serre dans l'atmosphère augmentent depuis le XIX^e siècle, et avec une vitesse de plus en plus forte. Le phénomène est principalement dû aux activités humaines, comme :

• l'utilisation massive de combustibles fossiles : en quelques dizaines d'années, on a rejeté dans l'atmosphère des quantités considérables de dioxyde de carbone provenant de carbone longuement accumulé dans le sous-sol depuis l'ère primaire. L'augmentation de la concentration de CO₂ dans l'atmosphère qui en résulte, est le principal facteur de réchauffement climatique. Les combustibles fossiles sont :
  • le charbon
  • les produits pétroliers
  • le gaz naturel
• la déforestation : une forêt mature est un réservoir important de carbone. La disparition de surfaces toujours plus grandes de forêt au profit de cultures ou de pâturages (emmagasinant une quantité moindre de matière organique), a pour effet d'augmenter les rejets de CO₂ dans l'atmosphère. En effet, la pousse de jeunes arbres ne peut plus absorber autant de carbone qu'en génère la dégradation des arbres morts.
• l'utilisation des CFC dans les systèmes de réfrigération et de climatisation (réglementée par le Protocole de Montréal) conduit aussi à des rejets préoccupants, notamment du fait de durées de vie dans l'atmosphère particulièrement longues.
• le protoxyde d'azote et le méthane sont également pris en compte dans les accords internationaux, mais pas l'ozone. L'ozone stratosphérique joue un rôle essentiel de protection contre les rayonnements ultraviolets. Son impact sur le réchauffement climatique est mineur par rapport à son importance en tant que filtre.
• les rejets de méthane, naturels^[2], et non naturels : les animaux (principalement les ruminants et les termites), les surfaces inondées (estuaires, marais, rizières) produisent du méthane naturel en lieu et place du CO₂ (donc sans carbone ajouté). On peut imputer à l'augmentation du cheptel de bovidés^[3] comme aux décharges, une augmentation des émissions de méthane. Or ce gaz, même s'il se dégrade assez rapidement en CO₂, présente un forçage radiatif supérieur (et donc un potentiel de réchauffement global accru). Inversement, quand le méthane produit peut être valorisé, il constitue un combustible propre et renouvelable.

Le Protocole de Kyōto se donne comme objectif de stabiliser puis réduire les émissions de GES afin de limiter le réchauffement climatique.

Le potentiel de réchauffement global

Dans le premier graphique, les émissions sont pondérées par le potentiel de réchauffement global de chaque gaz (avec 72% de CO₂, 18% de méthane, 9 % d'oxydes d'azote et 1 % d'autres gaz).

Chaque GES a un effet différent sur le réchauffement global. Par exemple une molécule de méthane à un impact sur l'effet de serre 23 fois plus fort qu'une molécule de CO₂. Alors pour comparer les émissions de chaque gaz, en fonction de leur impact sur les changements climatiques on préfère utiliser une unité commune : l'équivalent CO₂ ou l'équivalent carbone; plutôt que de mesurer les émissions de chaque gaz.

L'équivalent CO₂ est aussi appelé potentiel de réchauffement global (PRG). Il vaut 1 pour le dioxyde de carbone qui sert de référence. Le potentiel de réchauffement global d'un gaz est le facteur par lequel il faut multiplier sa masse pour obtenir une masse de CO₂ qui produirait un impact équivalent sur l'effet de serre. Par exemple, le méthane a un PRG de 23, ce qui signifie qu'il a un pouvoir de réchauffement 23 fois supérieur au dioxyde de carbone.

Pour l'équivalent carbone, on part du fait qu'un kg de CO₂ contient 0,2727 kg de carbone. L'émission d'un kg de CO₂ vaut donc 0,2727 kg d'équivalent carbone. Pour les autres gaz, l'équivalent carbone vaut :

équivalent carbone = PRG x 0,2727

On peut noter que la combustion d'une tonne de carbone correspond bien à l'émission d'une tonne équivalent carbone de CO₂.

Cette unité de mesure est très utile pour déterminer les émissions produites par une entreprise, par exemple. On peut ainsi réaliser un bilan global qui prend en compte les émissions directes (combustions, consommation d'énergie, transports) et indirectes (fabrication et transport des produits sous-traités).

Mesure des émissions

N.B. la biosphère représente 540 à 610 Gt de carbone, le sol en retenant de 1 500 à 1 600 Gt. Les océans en séquesterent 38 000 à 40 000 Gt, la lithosphère de 66 à 100 Tt (millions de gigatonnes).

Le 3 novembre 2006, l’Organisation météorologique mondiale (OMM) confirmait que les concentrations mondiales de CO₂, loin de diminuer, et en dépit du protocole de Kyoto, ont atteint de nouveaux records en 2005 :

• La teneur moyenne de l'atmosphère en CO₂ était de 379,1 parts par million (ppm) (0,5% de plus qu'en 2004, et environ + 2,9% depuis 1993 !).
• Le protoxyde d'azote (N₂O) a également augmenté passant à 319,2 ppb, (0,2% de plus qu’en 2004, et 2,5 % de plus depuis 1993 !).

En 2007, la Chine devrait dépasser les États-Unis pour les émissions de gaz à effet de serre. Les émissions de dioxyde de carbone devraient passer de 5,6 milliards de tonnes en 2006 à 6,02 cette année dans ce pays, ce qui représente environ 22 % du total mondial^[8].