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Le soleil détermine le climat de la Terre en émettant de l’énergie sous la forme d’ondes très courtes, principalement dans la partie visible ou quasi visible du spectre (par ex., les rayons ultraviolets). Dans l’ensemble, un tiers de l’énergie solaire qui atteint les couches supérieures de l’atmosphère est directement renvoyé vers l’espace. Les deux tiers restants sont absorbés par la surface et, à un degré moindre, par l’atmosphère. Pour compenser l’énergie entrante, la Terre doit renvoyer, en moyenne, une quantité équivalente d’énergie vers l’espace. Puisque la Terre est beaucoup plus froide que le soleil, son rayonnement se propage en ondes beaucoup plus longues, principalement dans la portion infrarouge du spectre (voir figure 1). La plus grande partie de ce rayonnement thermique émis par la Terre et l’océan est absorbée par l’atmosphère, notamment par les nuages, puis elle est réfléchie de nouveau vers la Terre. C’est l’effet de serre. Les parois vitrées d’une serre affaiblissent les courants d’air et augmentent la température de l’air à l’intérieur. Il en va de même sur Terre, mais le mécanisme physique en est différent : l’effet de serre sur Terre réchauffe la surface de la planète. Sans l’effet de serre naturel, la température moyenne sur Terre serait en-dessous du point de congélation de l’eau. L’effet de serre naturel rend ainsi possible la vie telle que nous la connaissons. Cependant, les activités humaines, en particulier l’utilisation de combustibles fossiles et le déboisement, ont fortement contribué à intensifier l’effet de serre naturel, provoquant le réchauffement de la planète.
FAQ 1.3, Figure 1. Représentation simplifiée de l’effet de serre naturel. Lire les explications dans le texte.
Les deux gaz prédominants de l’atmosphère, l’azote (78% de l’atmosphère sèche) et l’oxygène (21%) ne génèrent pratiquement pas d’effet de serre. Ce dernier est produit par des molécules plus complexes et plus rares. Le gaz à effet de serre prédominant est la vapeur d’eau, suivi par le dioxyde de carbone (CO2). Le méthane, l’oxyde nitreux, l’ozone et quelques autres gaz présents dans l’atmosphère en faibles quantités contribuent également à l’effet de serre. Dans les régions équatoriales humides, où l’air est saturé de vapeur d’eau, l’effet de serre est considérable ; y ajouter une faible quantité de CO2 ou de vapeur d’eau n’aura qu’un impact direct négligeable sur le rayonnement infrarouge dirigé vers la Terre. En revanche, une augmentation, même légère, de CO2 ou de vapeur d’eau dans les régions polaires, froides et sèches aura des conséquences plus importantes. De même, une faible augmentation de vapeur d’eau dans les couches supérieures de l’atmosphère, froides et sèches, aura plus d’impact sur l’effet de serre que l’augmentation du même volume de vapeur d’eau en surface.
Certains composants du système climatique, notamment les océans et les êtres vivants, affectent les concentrations de gaz à effet de serre atmosphériques. Les plantes qui captent le CO2 de l’atmosphère par photosynthèse et le transforment (ainsi que l’eau) en hydrates de carbone, en sont un exemple frappant. Depuis le début de l’ère industrielle les activités humaines ont contribué à l’augmentation des gaz à effet de serre dans l’atmosphère, principalement en brûlant des combustibles fossiles et en déboisant les forêts.
Ajouter davantage de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, comme du CO2, intensifie l’effet de serre, réchauffant ainsi le climat de la Terre. L’importance du réchauffement dépend de divers mécanismes de rétroaction. Par exemple, à mesure que l’atmosphère se réchauffe du fait de l’augmentation de sa teneur en gaz à effet de serre, sa concentration en vapeur d’eau augmente, intensifiant encore plus l’effet de serre, ce qui entraine encore plus de réchauffement, qui à son tour dégage encore plus de vapeur d’eau, et ainsi de suite, en un cycle qui se renforce lui-même. Cet effet de rétroaction de la vapeur d’eau peut être suffisamment fort pour doubler l’augmentation de l’effet de serre provoquée par l’ajout du seul CO2.
Les nuages constituent un autre élément important des mécanismes de rétroaction. Ils servent à absorber les rayons infrarouges, créant un effet de serre important et, de ce fait, réchauffant la planète. Ils réfléchissent également les rayons solaires, refroidissant ainsi la Terre. Tout changement dans la nébulosité – la forme des nuages, leur localisation, leur teneur en eau, leur altitude, les dimensions et les types de particules qui les constituent ou encore leur temps de rémanence – peut affecter leur l’influence sur le réchauffement ou le refroidissement de la Terre. Certains changements amplifient le réchauffement, d’autres l’atténuent. De nombreuses recherches sont en cours pour mieux comprendre comment les nuages réagissent au réchauffement climatique et comment ces changements peuvent à leur tour affecter le climat par le biais de divers mécanismes de rétroaction.