retour au sommaire Quels sont les gaz à effet de serre ?

Source : Jean-Marc Jancovici, membre du Comité de Veille Ecologique de la Fondation. Site perso.

L'activité humaine produit deux émissions qui ont une influence sur ce qui se passe dans l'atmosphère :

des gaz appelés "gaz à effet de serre" (de manière générale, tout gaz qui absorbe des infrarouges est un gaz à effet de serre) qui contribuent, comme on l'a vu, à réchauffer la planète,
des précurseurs d'aérosols (voir plus bas).

Les gaz à effet de serre

Nous avons vu que les deux principaux gaz à effet de serre sont :

la vapeur d'eau (H2O),
le gaz carbonique (CO2).

Il en existe d'autres. Certains sont "naturels", c'est-à-dire qu'ils étaient présents dans l'atmosphère avant l'apparition de l'homme, d'autres sont "artificiels" : il s'agit de gaz industriels qui ne sont présents dans l'atmosphère qu'à cause de l'homme.

Les autres gaz "naturels" à effet de serre sont :

le méthane (CH4), qui n'est rien d'autre que... le gaz naturel de nos cuisinières,
le protoxyde d'azote (N2O), nom savant du.... gaz hilarant (qui ici ne l'est plus tellement),
l'ozone (O3), forme particulière de l'oxygène.

Les principaux gaz industriels à effet de serre sont les halocarbures (formule générique de type CxHyHalz où Hal représente un ou plusieurs halogènes) : il s'agit d'une vaste famille de gaz obtenus en remplaçant, dans une molécule d'hydrocarbure (le propane, le butane, ou encore l'octane, que l'on trouve dans l'essence, sont des hydrocarbures), de l'hydrogène par un gaz halogène (le fluor, le chlore...). Les molécules ainsi obtenues ont deux propriétés importantes pour nous :

Elles absorbent très fortement les infrarouges, beaucoup plus que le gaz carbonique.
Elles sont très "solides" : la partie la plus "énergique" du rayonnement solaire (les ultraviolets et les rayons cosmiques) met très longtemps à "casser" ces molécules une fois qu'elles sont dans l'atmosphère ; elles y restent donc (dans l'atmosphère) très longtemps.

Il existe également un autre gaz industriel que l'on mentionne souvent dans les milieux spécialisés, l'hexafluorure de soufre (SF6). Il n'est pas d'utilisation banale mais est encore plus absorbant pour les infrarouges et résistant à la partie "dure" du rayonnement solaire que les halocarbures.

Quels sont les gaz qui font le plus d'effet de serre et d'où viennent-ils ?

Le gaz qui fait le plus d'effet de serre est... la vapeur d'eau

    Répartition des contributions à l'effet de serre des différents gaz présents dans l'atmosphère en 1992. Source : GIEC

Mais si l'on se limite à l'effet de serre d'origine humaine, que l'on appelle parfois effet de serre "additionnel" (parce qu'il se rajoute à celui d'origine naturelle), ou anthropique, il est causé :

pour 65% par le gaz carbonique. Il y a bien sûr des émissions naturelles (notre respiration, celle des animaux, une partie de la putréfaction, les incendies naturels...).

Le gaz cabonique venant des activités humaines (on parle d'émissions anthropiques, c'est-à-dire provoquées par l'homme) provient :

pour l'essentiel de la combustion des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz),
un peu de certaines industries (par exemple pour la production de ciment),

pour 20% par le méthane. Le méthane est un gaz (c'est le fameux "gaz naturel") qui se forme dès qu'un composé organique (un animal, une plante) pourrit, particulièrement si cette putréfaction se passe sans air (en fait sans oxygène), par exemple au fond de l'eau ou sous terre. Les réserves de gaz naturel ne se sont pas formées autrement que par la décomposition, il y a très longtemps, de plantes et d'animaux. Une partie du méthane présent dans l'atmosphère est donc d'origine parfaitement naturelle : ce n'est pas l'homme qui est responsable du pourrissement !

Mais l'homme y rajoute sa part. Le méthane d'origine humaine provient :

de l'élevage des ruminants (vaches, moutons, chèvres, yaks...), car leur digestion inclut de la putréfaction,
de la culture du riz, car les zones humides en général émettent du méthane (comme nos marécages : les feux follets ne sont rien d'autre que la combustion spontanée du méthane produit au fond des marécages, là où les plantes pourrissent sans air),
des décharges d'ordures ménagères (encore le pourrissement) et du compostage,
des exploitations pétrolières et gazières, à cause des fuites de gaz naturel.

pour 10% par les halocarbures (pas d'émissions naturelles). Ces gaz sont utilisés :

auparavant comme gaz propulseurs (les fameux CFC de nos bombes aérosol d'insecticide ou de "sent-bon"), maintenant progressivement interdits par la convention de Montréal car ils sont aussi responsables de la diminution de l'ozone en haute altitude,
actuellement comme gaz réfrigérants (dans les systèmes de climatisation et les chaînes du froid) ; les émissions proviennent désormais essentiellement des fuites et mise à la décharge des systèmes de climatisation,
dans certains procédés industriels (fabrication de mousses plastiques, mais aussi… de composants d'ordinateurs).

pour 5% par le protoxyde d'azote (N2O). Pour ce gaz il y a aussi des émissions naturelles qui proviennent essentiellement des zones humides (et aussi...des termites !). La part "humaine" (anthropique) provient :

de l'utilisation des engrais azotés en agriculture,
de certains procédés chimiques.

pour environ 5% par l'ozone (O3) troposphérique. L'ozone est une variante de l'oxygène (une molécule d'ozone comporte 3 atomes d'oxygène au lieu de 2 pour le gaz "oxygène" normal) qui est naturellement présent dans l'atmosphère. Selon l'endroit où il se trouve il nous intéresse beaucoup ou il nous est nuisible :

dans la haute atmosphère, où l'on parle d'ozone stratosphérique (la stratosphère est la couche de l'atmosphère située entre 10 et 50 km d'altitude) il arrête les ultraviolets du soleil ; il nous y est très utile (sans cette couche d'ozone stratosphérique la vie n'existerait peut-être pas sur Terre),
dans nos villes, il est un polluant local très agressif ; il n'y est donc pas souhaitable. L'ozone troposphérique (la troposphère est la couche la plus basse de l'atmosphère, celle qui "touche" le sol) est l'un des composants de la pollution locale, et provient indirectement de la combustion d'hydrocarbures. Ce terme de l'effet de serre est donc - outre le CO2 - une conséquence du transport (terrestre, mais aussi aérien, on y revient plus loin).

Depuis le début de l'ère industrielle, c'est-à-dire depuis l'année 1750 environ, ce que nous avons mis dans l'atmosphère a pour effet d'introduire un "forçage radiatif" de l'ordre de 1% du rayonnement reçu.

Dit autrement, à travers ses émissions de gaz à effet de serre l'homme a modifié la situation "comme si" le soleil avait augmenté sa puissance de 1%. Cela peut paraître peu. Pourtant, compte tenu des énergies considérables qui sont en jeu, de la fragilité de certains équilibres naturels, et du fait que ces effets agissent sur de longues périodes, c'est très significatif pour notre avenir, comme on le verra plus loin.

Combien de temps restent-ils dans l'atmosphère ?
Les gaz à effet de serre, une fois dans l'atmosphère, n'y restent cependant pas éternellement. Ils peuvent être retirés de l'atmosphère :

soit par suite d'un phénomène physique. Par exemple la pluie, phénomène physique (condensation), enlève de la vapeur d'eau de l'atmosphère.
soit par suite d'un phénomène chimique. Par exemple la photosynthèse des plantes enlève du gaz carbonique de l'atmosphère.
soit par suite d'un phénomène radiatif. Par exemple les rayons cosmiques (qui sont de même nature que les rayons émis par une source radioactive) "cassent" des molécules dans la haute atmosphère. Les halocarbures disparaissent de cette façon (ce sont généralement des molécules trop stables pour disparaître par réaction chimique dans l'atmosphère).

Mais la très mauvaise surprise, c'est que mis à part la vapeur d'eau qui s'évacue en quelques jours, les gaz à effet de serre mettent très longtemps à s'en aller de l'atmosphère. Ce n'est pas facile de savoir avec précision combien de temps est nécessaire, car l'atmosphère est un système très complexe, faisant intervenir tout un ensemble de phénomènes (physiques, chimiques, biologiques...), dont les scientifiques n'ont pas encore perçé tous les mystères, même s'ils en savent assez pour nous mettre en garde.

Cela étant, on a désormais une estimation de la durée de séjour, c'est-à-dire du temps qui est nécessaire à ce que le gaz en surplus disparaisse de l'atmosphère, pour les principaux d'entre eux.

    Gaz
    Durée de séjour approximative
    dans l'atmosphère
    Gaz carbonique
    100 ans
    Méthane
    12 ans
    Protoxyde d'azote
    120 ans
    Halocarbures
    jusqu'à 50.000 ans

On voit immédiatement ci-dessus que l'essentiel des gaz que nous émettons aujourd'hui, y compris le gaz carbonique que nous avons par exemple émis ce matin en venant travailler en voiture, ou hier en faisant fonctionner la chaudière, sera encore au-dessus de la tête de nos petits-enfants dans 1 ou 2 siècles.

Comment se comparent-ils ?

Afin de pouvoir faire des comparaisons, on a la possibilité de calculer, pour chacun des gaz à effet de serre, un "pouvoir de réchauffement global" ou PRG, qui permet de savoir de combien on augmente l'effet de serre lorsque l'on émet un kg du gaz considéré.

    Ce PRG tient compte de deux données : les raies d'absorption dans l'infrarouge du gaz considéré (qui donnent la "puissance" instantanée) et sa durée de vie dans l'atmosphère (qui donne la durée sur laquelle il faut intégrer la "puissance" pour obtenir un impact énergétique à terme).

    Il s'exprime en Watts par mètre carré.

On a aussi coutume de tout ramener au gaz carbonique, et de parler alors de PRG relatif. Par définition le PRG relatif du gaz carbonique vaut 1, et on regarde ce qu'il vaut pour les autres gaz. On obtient le tableau suivant (les Perfluorocarbures et Hydrofluorocarbures sont des halocarbures particuliers).

    Gaz
    Formule
    PRG relatif / CO2
    Gaz carbonique
    CO2
    1
    Méthane
    CH4
    21
    Protoxyde d'azote
    N2O
    310
    Perfluorocarbures
    CnF2n+2
    6500 à 8700
    Hydrofluorocarbures
    CnHmFp
    140 à 11700
    Hexafluorure de soufre
    SF6
    23900
    Source : GIEC

Ce que signifie le tableau ci-dessus, c'est donc que si on met 1 kg de méthane dans l'atmosphère, on fait 21 fois plus d'effet de serre que si on met 1 kg de gaz carbonique.

Si on met 1 kg d'hexafluorure de soufre dans l'atmosphère, on fait 23.900 fois plus d'effet de serre que si on met un kg de gaz carbonique : pour l'effet de serre un kg de ce gaz "vaut" 23,9 tonnes de CO2, c'est-à-dire plus que l'émision annuelle de 3 Français ! Heureusement nous en émettons de toutes petites quantités pour le moment (voir plus loin).

Enfin plutôt que de mesurer le poids de gaz carbonique, les économistes ont pris l'habitude de parler d'équivalent carbone.

    Par définition, un kg de CO2 vaut 0,2727 kg d'équivalent carbone, c'est-à-dire le poids du carbone seul dans le composé "gaz carbonique". Pour les autres gaz, l'équivalent carbone vaut : équivalent carbone = PRG relatif x 0,2727

Pour les principaux gaz à effet de serre, par exemple, les équivalents carbone sont les suivants.

    Gaz
    Formule
    équivalent carborne/kg
    Gaz carbonique
    CO2
    0,273
    Méthane
    CH4
    5,73
    Protoxyde d'azote
    N2O
    84,55
    Perfluorocarbures
    CnF2n+2
    1772,73 à 2372,73
    Hydrofluorocarbures
    CnHmFp
    38,2 à 3190,9
    Hexafluorure de soufre
    SF6
    6518,2

La "taxe carbone", envisagée par les États pour décourager l'émission de gaz à effet de serre, utiliserait l'équivalent carbone pour fixer le niveau de la taxe selon les gaz. Si l'émission d'une tonne de gaz carbonique est taxée 1.000 F, alors une tonne de méthane sera taxée 5.730 F, une tonne de protoxyde d'azote 84.550 F, etc.

retour au sommaire Les aérosols

Outre les gaz à effet de serre, l'homme émet aussi des "précurseurs d'aérosols".

Un aérosol est une suspension dans l'air de gouttelettes ou de poussières. Nous en voyons tous les jours un exemple : les nuages. Mais un "nuage de poussière" est aussi un aérosol : quand nous passons le balai un peu énergiquement, nous provoquons un aérosol.

Un précurseur est quelque chose qui précède : les précurseurs d'aérosols sont donc des molécules qui, par suite de diverses réactions, peuvent conduire à la formation d'aérosols. Dans l'atmosphère les aérosols sont essentiellement… des nuages.

Ces nuages viennent atténuer l'effet de serre, tout simplement en empêchant la lumière de passer : la lumière est directement réfléchie vers l'espace.

Bien modéliser le comportement des nuages est l'un des points les plus complexes des modèles climatiques. On y revient plus loin.

Les émissions de précurseurs d'aérosols regroupent :

    la poussière,
    divers gaz qui favorisent la condensation de l'eau et donc les nuages. Le plus courant est le dioxyde de soufre (SO2), qui est un polluant local bien connu provoqué par la combustion de n'importe quel produit contenant du soufre, et notamment le charbon et le pétrole (le SO2 est responsable des fameuses pluies acides, donc on peut difficilement en émettre beaucoup pour combattre l'effet de serre).

Mais il arrive aussi que la nature fasse la même chose, notamment à travers le volcanisme : par exemple l'éruption du volcan Pinatubo, qui a envoyé dans la haute atmosphère un nuage de poussière qui y est resté assez longtemps, a provoqué une baisse des températures mondiales pendant quelques années (qui est en fait plutôt un arrêt momentané de la hausse due à l'effet de serre !).

Gaz à effet de serre contre aérosols : qui gagne ?

Une partie de l'impact des gaz à effet de serre est donc compensée par l'effet des aérosols.

Mais les aérosols ont deux caractéristiques qui font que leurs effets ne durent pas très longtemps :

leur durée de vie dans l'atmosphère est de quelques semaines seulement (un nuage finit par provoquer de la pluie : il ne reste pas des années en l'air ; les poussières retombent à la surface de la Terre, tout comme la poussière "envoyée en l'air" par notre balai retombera assez vite sur le plancher - et les meubles) ;
ils ne s'accumulent donc pas dans l'atmosphère (les gaz à effet de serre, si).

Les scientifiques sont donc certains du fait que les aérosols ne peuvent compenser l'effet des gaz à effet de serre sur le long terme.

Par ailleurs, la durée de brassage de l'atmosphère (c'est-à-dire le temps qu'il faut pour qu'une partie d'un gaz émis en Australie se retrouve au-dessus de New-York) étant de quelques semaines seulement, les lieux d'émission des gaz à effet de serre sont sans importance.

Ce n'est pas le cas des aérosols qui influent plus particulièrement au-dessus des zones où ils sont émis (le nuage au-dessus de New-York n'empêche pas les habitants de Sydney d'avoir chaud).

     
    En fonction de leur concentration atmosphérique du moment et de leur PRG, l'impact énergétique (on parle de forçage radiatif) en valeur absolue des différents gaz à effet de serre ou aérosols s'exprime en Watts par mètre carré, comme pour le rayonnement solaire.

    Le graphique ci-dessous compare les unes aux autres les différentes composantes — positives ou négatives — qui jouent sur les échanges d'énergie entre la Terre et l'espace.

© Fondation Nicolas Hulot pour la Nature et l'Homme
Dernière mise à jour : le 23 novembre 2000