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1) À quelle hauteur se trouvent les gaz à effet de serre?
Les gaz à effet de serre (GES) sont des gaz atmosphériques qui induisent une augmentation de la température de surface des planètes, comme c’est le cas sur Terre. Ils se distinguent des autres gaz présents dans l’atmosphère parce qu’ils absorbent les longueurs d’onde du rayonnement émis par la surface d’une planète, ce qui provoque un effet de serre. Les GES comportent au moins trois atomes. Le rayonnement solaire réchauffe la Terre. Sa surface émet du rayonnement infrarouge dans la bande thermique, qui est absorbé principalement par la vapeur d’eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2), et dans une moindre mesure par le méthane (CH4), l’oxyde nitreux (N2O) et l’ozone (O3) pour ne parler que de ceux-ci. Aussi, les quelques composés industriels, bien qu’ils soient de puissants GES comprenant des halocarbures, ne se retrouvent qu’en très faibles concentrations et donc ne participent que peu à l’effet de serre. Sans la présence des GES, la température moyenne de la surface de la Terre chuterait à environ -18°C, ce qui représente une différence significative par rapport à la moyenne planétaire actuelle de 15°C.
- H2O : La vapeur d’eau atmosphérique est hautement variable dans l’espace et dans le temps ; l’évaporation de surface en est la source. Cette vapeur est transportée par les vents, et la précipitation en est le puit. Il y a davantage de vapeur d’eau aux faibles latitudes comparativement aux hautes latitudes et les plus fortes concentrations se retrouvent près de la surface avec des rapports de mélange H2O/air à plus de 0.016 entre les Tropiques, à moins de 0.002 au-delà de 8 km en altitude et aux très hautes latitudes. En effet, le contenu en vapeur d’eau est plus important là où il fait chaud, c’est-à-dire proche de la surface et aux basses latitudes. C’est le GES le plus important au regard de l’effet de serre naturel.
- CO2 : Le dioxyde de carbone est naturellement présent dans l’atmosphère. Il s’agit d’un gaz atmosphérique ayant une faible concentration : 421 parties par million, équivalant à un rapport de mélange CO2/air d’environ 10-4, soit une augmentation de 50% depuis la révolution industrielle. La combustion de combustibles fossiles est principalement responsable de l’augmentation des niveaux de CO2 et, par conséquent, du réchauffement climatique. C’est le deuxième GES contribuant à l’effet de serre naturel, mais sa concentration augmentant sans cesse depuis plus d’un siècle, il constitue le gaz le plus important au regard de l’effet de serre anthropique. Si l’on se trouve éloigné des sources – par exemple les villes, les volcans actifs, les grands espaces fermés avec du public – où les concentrations de CO2 peuvent s’avérer être relativement importantes, le rapport de mélange atmosphérique CO2/air est assez stable à 8 x 10-4 jusqu’à de très hautes altitudes.
- CH4 : Les concentrations de méthane sont variables. Le CH4 naturel se trouve à la fois sous terre et sous le plancher océanique et est formé par des processus géologiques et biologiques. La fonte du permafrost est aujourd’hui une source non négligeable de méthane. Les émissions anthropiques de CH4 proviennent de l’agriculture, de la production de combustibles fossiles, des déchets et d’autres sources. Par exemple, les fortes concentrations de CH4 en Amérique du Sud sont dues aux émissions des zones humides, tandis qu’en Asie, les émissions reflètent un mélange d’activités agricoles et industrielles. Depuis le début de la révolution industrielle, les activités humaines ont augmenté les concentrations de CH4 dans l’atmosphère de plus de 150%. Du milieu des années 1980 jusqu’à aujourd’hui, les concentrations atmosphériques de CH4 ont passées de 1640 à plus de 1900 parties par milliard, soit de rapports de mélange CH4/air de 2 à 2.4 x 10-6. Hors des régions sources de CH4, les concentrations verticales sont assez homogènes. Le CH4 est responsable d’environ 30% de l’augmentation des températures mondiales depuis la révolution industrielle.
- N2O : L’oxyde nitreux est présent dans l’atmosphère à l’état de traces. Il est en revanche responsable de 5 à 6 % de l’effet de serre. Les émissions de N2O sont d’origine naturelle et humaine avec plus de 20% d’augmentation dans l’air depuis l’époque préindustrielle. Les concentrations ont augmenté de 6.5% depuis le début des années 2000. Certains micro-organismes du sol et des océans en sont les principales sources naturelles mais il est également produit par la combustion de matière organique et de combustibles fossiles, l’industrie ou les stations d’épuration des eaux usées. Hors des régions sources, le NO2 est néanmoins plus abondant proche de la surface. De nos jours, présent à hauteur de 330 parties par milliard, donc un rapport de mélange N2O/air d’environ 5 x 10-6 de la surface jusqu’à 15 km et décroit à 10-8 dans la stratosphère.
- O3 : L’ozone est une molécule inorganique super oxydante. L’ozone se forme à partir de l’oxygène moléculaire (O2) sous l’action de l’énergie provenant de l’ultraviolet (UV) et de processus électriques dans l’atmosphère. Il se retrouve en très faibles concentrations dans toute l’atmosphère (rapport de mélange O3/air de l’ordre de 10-7), sa plus forte concentration se trouvant dans la couche d’ozone (maximum à 25 km d’altitude, rapport de mélange de 10-6), qui absorbe la plupart des rayons UV provenant du soleil. L’ozone de basse altitude est un polluant atmosphérique qui n’est pas émis directement par les moteurs de voiture ou par les activités industrielles, mais qui est formé par la réaction chimique entre l’énergie solaire contenant des hydrocarbures et des oxydes d’azote qui réagissent pour former de l’ozone directement à la source de la pollution, ou sous le vent de cette dernière. L’ozone y est à cet endroit un gaz à effet de serre. La concentration atmosphérique de O3 est faible si l’on se trouve éloigné des sources (par exemple les zones périurbaines des villes, les industries).
2) Est-ce que la pluie rabat ces GES à la surface de la Terre?
Les gouttes de pluie peuvent collecter de la vapeur d’eau lorsqu’elles tombent vers le sol et peuvent aussi s’évaporer. Le CO2, le N2O et l’O3 sont soluble dans l’eau. Les gouttes de pluie peuvent capter ces gaz et les relarguer lorsqu’elles chutent en direction du sol. Le méthane quant à lui n’est pratiquement pas soluble dans l’eau. Cependant, la circulation atmosphérique permet à l’humidité, au CO2, au N2O et à O3 de retrouver leurs concentrations d’origine dans l’heure ou les deux heures qui suivent la pluie.