La définition de l’effet de serre suscite aujourd’hui autant d’intérêt que de confusion. Sa définition continue d’évoluer au fil des découvertes scientifiques et du contexte. Ce phénomène naturel, indispensable à la vie sur Terre, régule la température moyenne de l’atmosphère terrestre grâce aux gaz à effet de serre (GES) qui absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre.
Depuis les travaux du scientifique français Joseph Fourier en 1824, la définition scientifique n’a cessé d’évoluer : elle intègre désormais l’absorption du rayonnement infrarouge, le forçage radiatif et la distinction entre effet de serre naturel et effet de serre anthropique d’origine humaine. Cette évolution scientifique reflète la complexité croissante de notre compréhension du système climatique. En 2024, une étude de l’ADEME révélait un chiffre frappant : 56 % des Français associent les désordres climatiques à l’effet de serre, contre 15 % en 2001. Cette augmentation témoigne d’une association croissante entre réchauffement climatique et gaz à effet de serre dans l’imaginaire collectif. Pourquoi le nom « effet de serre » ? Cette analogie horticole est-elle scientifiquement rigoureuse ? Quels phénomènes physiques et chimiques se cachent derrière cette expression ? L’augmentation rapide des émissions de gaz à effet de serre issues de la combustion des énergies fossiles constitue aujourd’hui l’un des principaux moteurs du dérèglement climatique. Le dioxyde de carbone (CO₂) joue un rôle central dans cette intensification. Pourquoi les activités humaines déséquilibrent-elle l’effet de serre et accélère-t-elle le réchauffement global ?
Comment fonctionne l’effet de serre ? Les 4 mécanismes clés
Pour comprendre la définition de l’effet de serre, il est essentiel de décortiquer le bilan énergétique de notre planète. Imaginez la Terre comme une maison dont la régulation de la température se fait grâce au dialogue permanent entre le Soleil, la Terre et l’espace..
1. Le Soleil : le chauffage
Dès qu’un objet possède un peu de chaleur, il émet un rayonnement. Plus il est chaud, plus ce rayonnement est « énergétique » (c’est la Loi de Wien).
Notre Soleil, avec sa surface à 5 800 °C, émet principalement dans le domaine du visible (λ ≈ 0,5 µm). Fort heureusement, la plupart des molécules de notre atmosphère laissent passer ce rayonnement, permettant ainsi à la Terre de se réchauffer et à nos yeux de percevoir les couleurs de la nature.
La chaleur interne de la Terre est également une source d’énergie, mais qui est négligeable comparée à celle du soleil (≈0,04 % du solaire).
2. L’Albédo : le « miroir »
Toute l’énergie du Soleil n’est pas conservée. Environ 30 % du rayonnement est immédiatement renvoyé vers l’espace par les surfaces blanches ou brillantes (nuages, glaces, sable…). C’est ce qu’on appelle l’effet albédo.
3. La Terre : les murs
Pour éviter une surchauffe, la Terre réémet cette énergie vers l’espace sous forme de rayonnement infrarouge (λ ≈ 10 µm). Lorsque notre planète émet dans l’espace, autant qu’elle reçoit du soleil, elle atteint alors sa température d’équilibre.
4. L’atmosphère : le double vitrage
- Sans atmosphère, la terre absorberait la chaleur du Soleil pendant la journée, mais la restituerait presque entièrement la nuit sous forme de rayonnement infrarouge. Ainsi, la Terre afficherait une température moyenne de -18 °C environ, avec des variations brutales entre le jour et la nuit, similaires à celles observées sur la Lune.
Le calcul de -18°C sans effet de serre est une approximation. Il suppose une Terre noire, uniformément chauffée, sans atmosphère, et caractérisée par un albédo moyen constant.
- Grâce à l’atmosphère et à la présence de molécules gazeuses appelées gaz à effet de serre (GES), une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre est absorbée. Cette énergie est alors temporairement retenue, puis réémise de manière aléatoire, à la fois vers la surface terrestre et vers l’espace. Par conséquent, la température des basses couches de l’atmosphère est plus chaude qu’elle ne devrait l’être et oscille autour de 15 °C au niveau du sol et descend jusqu’à -60 °C à plus hautes altitudes.
Les gaz à effet de serre (GES) : peu nombreux mais impactant
La composition naturelle de l’atmosphère
L’atmosphère de la Terre s’est formée il y a environ 4,6 milliards d’années. Elle résulte de phénomènes naturels variés : éruptions volcaniques, évaporation océanique, développement de la végétation et érosion des sols. Cette enveloppe gazeuse est constituée de plusieurs couches contenant des gaz et de petites particules en suspension.
Il y a environ 2,4 milliards d’années, la Terre a vécu sa première révolution écologique majeure. L’oxygène atmosphérique est apparu. Ce bouleversement est dû aux cyanobactéries, des micro-organismes capables de produire leur propre nourriture par photosynthèse en utilisant l’énergie solaire.
L’oxygène (O2) représente aujourd’hui 21% de l’air et permet aux êtres vivants de respirer et aux feux de brûler. L’azote (N₂), qui compose 78% de l’air, est un gaz tampon qui dilue l’oxygène dans l’air. Sans lui, l’atmosphère serait beaucoup trop riche en oxygène, ce qui rendrait les combustions violentes et l’environnement instable. Ce gaz joue également un rôle essentiel dans le cycle de l’azote. Bien que l’azote moléculaire (N₂) soit chimiquement peu réactif, il constitue un vaste réservoir que certaines bactéries sont capables de transformer en formes assimilables par les plantes, comme les nitrates et l’ammonium. Ces composés sont ensuite indispensables à la synthèse des protéines et de l’ADN chez l’ensemble des êtres vivants.
D’autres molécules sont présentes à l’état de trace : eau (H₂O), dioxyde de carbone (CO₂), méthane (CH₄), protoxyde d’azote (NO₂), ozone (O₃). Grâce à leurs propriétés physico-chimiques, elles absorbent le rayonnement infrarouge émis par la Terre.
L’absorption sélective des gaz à effet de serre
Lorsqu’une molécule absorbe une énergie extérieure adéquate, on dit qu’elle vibre, modifiant ainsi les distances et angles entre ses atomes. Cette déformation transitoire peut modifier sa polarité (mesurée par le moment dipolaire).
Seules les vibrations qui modifient le moment dipolaire sont capables d’absorber le champ électrique de la lumière infrarouge. Or, toutes les vibrations moléculaires ne peuvent pas interagir avec le rayonnement infrarouge. Les gaz à effet de serre absorbent l’infrarouge, tandis que d’autres molécules gazeuses y sont pratiquement transparentes.
- Exemple de l’eau (H₂O) : premier contributeur à l’effet de serre naturel, la molécule d’eau présente un moment dipolaire permanent. Cette polarité s’explique par la forte électronégativité de l’oxygène par rapport à l’hydrogène, créant un déséquilibre de la densité électronique. Ainsi, ce caractère polaire permet à la molécule d’interagir efficacement avec le rayonnement infrarouge.
- Exemple du dioxyde de carbone (CO₂) : à l’inverse, le CO₂, en raison de sa structure linéaire symétrique, ne possède pas de moment dipolaire permanent puisque les charges s’équilibrent de part et d’autre de la molécule. Mais cette particularité n’empêche pas ce gaz d’être le plus célèbre contributeur à l’effet de serre.
Pourquoi le CO₂ absorbe l’infrarouge et pas l’oxygène ou l’azote ?
Toutes les molécules de l’atmosphère n’interagissent pas de la même manière avec le rayonnement infrarouge : tout dépend de leur structure et de la façon dont elles vibrent lorsqu’elles absorbent de l’énergie.
- L’Oxygène et l’Azote : ce sont des molécules très simples, composées de deux atomes identiques. Qu’elles s’étirent ou qu’elles vibrent, elles restent parfaitement symétriques. Comme leur moment dipolaire ne change pas, le rayonnement IR passe à travers elles sans s’arrêter. C’est comme si elles étaient « transparentes » pour les infrarouges.
- Le dioxyde de carbone (CO2) : bien qu’il soit symétrique au repos, il est composé de trois atomes. Lorsqu’il reçoit de l’énergie, il peut se tordre ou s’étirer de façon asymétrique (un côté plus long que l’autre) de 3 façons différentes (voir schéma). Cette « danse » déséquilibrée lui permet de capturer le rayonnement infrarouge au passage.
L’énergie absorbée ne reste pas indéfiniment sous forme de vibration. La molécule peut la transférer de plusieurs façons :
- Au sein de sa propre structure : redistribution interne de l’énergie.
- Par collision avec d’autres molécules environnantes (O₂, N₂, etc.), ce qui permet le réchauffement de l’air.
- Par réémission dans toutes les directions, de la même énergie, participant ainsi à l’effet de serre.
Ces différents processus expliquent comment l’absorption de l’infrarouge par les gaz à effet de serre influence la température de l’atmosphère et de la surface terrestre.
L’augmentation du CO₂: un déséquilibre du thermostat
Saturation du CO2 : pourquoi l’effet de serre continue-t-il d’augmenter ?
Dans la basse atmosphère (troposphère), couche la plus turbulente où se trouvent les gaz à effet de serre, les flux d’énergies circulent de trois façons :
- Par rayonnement,
- Par conduction (par contact entre molécules)
- Par convection (déplacements des masses d’air).
L’eau constitue le principal gaz à effet de serre (60 % en l’absence de nuages), devant le dioxyde de carbone (26 %)
Depuis plusieurs décennies, l’absorption du rayonnement infrarouge à 15 µm par le dioxyde de carbone est considérée comme saturée. Elle a commencé dès que la concentration en CO2 a dépassé environ 300 ppm (partie par million). Concrètement : ajouter avantage CO₂ n’entraîne presque plus d’absorption supplémentaire à cette longueur d’onde précise.
D’autres mécanismes compensent cette saturation, notamment l’élargissement des zones d’absorption du CO₂ sur les bords du spectre. Cet effet, particulièrement visible autour de 10 µm, amplifie l’effet de serre.
Le paradoxe du CO2 : quand le froid en altitude réchauffe le sol
L’accroissement de la concentration de CO₂ atmosphérique lié aux activités humaines modifie la localisation de l’absorption infrarouge. Cette absorption se déplace progressivement vers les couches atmosphériques supérieures, où les températures sont plus basses. À cette altitude, le CO₂ devient le principal acteur de l’interaction avec le rayonnement infrarouge car il demeure à l’état gazeux. L’eau, en revanche, gèle et perd sa capacité d’absorption du rayonnement dans cet état solide.
À cette altitude, le rayonnement infrarouge devient le mode de transfert d’énergie dominant. La conduction y est quasiment inexistante. La convection est fortement limitée par la stabilité des masses d’air. La raréfaction des gaz réduit leur capacité d’absorption, permettant à une fraction du rayonnement de s’échapper vers l’espace.
Le flux d’énergie étant proportionnel à la température, le rayonnement diminue et l’air se refroidit. La Terre doit donc se réchauffer pour restaurer l’équilibre radiatif.
À gauche (situation normale) : équilibre naturel entre convection et rayonnement au sein de l’atmosphère.
À droite (hausse du CO₂) : déplacement de la zone d’émission et renforcement de l’effet de serre. Crédit schéma : David Rapp, retravaillé et retranscrit par Sabine Génin
Le lien entre la quantité de CO₂ et la température de la Terre n’est pas simple à établir, car le climat est un système très complexe.
- Le système climatique implique de multiples phénomènes en interaction :
- Les nuages et les courants atmosphériques
- Les courants océaniques
- Les glaciers et les sols
- Le relief terrestre
- L’activité humaine
Ces interactions, appelées « rétroactions », exercent un effet amplificateur ou modérateur sur le réchauffement induit par le CO₂.
De plus, les mesures par satellite et ballons-sondes confirment à la fois le réchauffement de la troposphère et le refroidissement de la stratosphère, ce qui valide les modèles climatiques actuels.
Comprendre la définition de l’effet de serre, c’est saisir un paradoxe : comment les mêmes gaz à effet de serre qui rendent la Terre habitable peuvent-ils, en excès, menacer l’équilibre climatique de notre planète ?
Un peu d’histoire : les pionniers de la définition de l’effet de serre
La paternité du terme « effet de serre » est principalement associée au français Joseph Fourier. Mais d’autres scientifiques ont joué un rôle clef dans la compréhension du phénomène.
Le naturaliste Horace-Bénédict de Saussure (1740-1799) est l’un des premiers à avoir étudié expérimentalement la capacité de l’atmosphère à piéger la chaleur solaire. Grâce à l’une de ses inventions l’hélio thermomètre (1767) il démontra qu’un milieu transparent peut laisser entrer le rayonnement solaire, limiter les pertes de chaleur et atteindre une température d’équilibre élevée. Il créa l’analogie entre une serre en verre et l’enveloppe atmosphérique.
En 1824, les calculs du mathématicien et physicien Joseph Fourier (1768-1830) ont permis d’établir les principes fondamentaux qui régissent la température de surface d’une planète (équilibre énergétique). Il est le premier à pressentir l’existence de ce qui sera plus tard appelé l’effet de serre. Il avance que l’atmosphère fonctionne comme une couverture : elle laisse passer les rayons du Soleil tout en empêchant la chaleur de repartir trop vite vers l’espace.
En 1856, la scientifique Eunice Foote (1819-1888) réalise des expériences avec des moyens simples mais ingénieux pour l’époque. Elle observe que l’air humide enrichi en dioxyde de carbone (CO₂) se réchauffe davantage que l’air ordinaire. Il reste chaud plus longtemps. Elle émet alors une hypothèse audacieuse : une augmentation du CO₂ dans l’atmosphère entraînerait une hausse de la température terrestre. Ses travaux tombèrent dans l’oubli pendant plus d’un siècle avant d’être redécouverts et reconnus par la communauté scientifique contemporaine.
Trois ans plus tard (de 1859-1861), le physicien John Tyndall (1820-1893), utilisa des instruments plus perfectionnés (appareil optique). Il mesura la capacité des gaz comme la vapeur d’eau, le CO₂ et le méthane à absorber la chaleur infrarouge, contrairement à l’oxygène et l’azote. Il prouva ainsi que ces gaz sont au cœur de la régulation de la température planétaire.
En 1896, le scientifique Svante Arrhenius (1859-1927) s’inspira de ses travaux. Il est le premier à faire le lien entre la combustion des combustibles fossiles et l’augmentation du réchauffement global de la planète. Il calcule que la température moyenne à la surface est d’environ 15oC. Cette température s’explique par la capacité d’absorption infrarouge de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone.
Pourquoi parle-t-on “d’effet de serre” ? Histoire d’une analogie imparfaite
Très utilisé dans les explications pédagogiques, le terme « effet de serre » est pratique, mais l’analogie avec le vocabulaire horticole peuvent manquer de rigueur scientifique.
Extraits du Petit Larousse : « Les gaz contenus dans l’atmosphère qui piègent le rayonnement infrarouge thermique émis par la surface terrestre sont appelés gaz à effet de serre (GES). […] Le processus s’apparente à celui qui se produit dans une serre dont la couverture transparente laisse passer la lumière solaire, mais piège la chaleur en la renvoyant vers les cultures. »
Le terme « piégé » est une image approximative, car la physique décrit des phénomènes d’absorption et réémission dans toutes les directions. Elle vise néanmoins à signifier qu’une fraction du flux infrarouge émis par la surface n’atteint pas directement l’espace.
En 1909, le physicien Robert Williams Wood a construit deux serres identiques :
- l’une avec du verre opaque aux infrarouges,
- l’autre avec du sel gemme transparent aux infrarouges.
Les deux serres ont atteint pratiquement la même température. Cette expérience prouve que l’effet principal de la serre n’est pas l’absorption des infrarouges mais le confinement de l’air chaud (blocage de la convection).
Cette expérience a suscité des débats quant à l’usage de l’expression “effet de serre”. Le terme le plus adapté scientifiquement aujourd’hui est le « forçage radiatif ».
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Critères |
Serre de jardin |
Effet de serre atmosphérique |
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Mécanisme principal |
Piégeage de la chaleur par convection (air immobile) |
Piégeage par rayonnement infrarouge (absorption/réémission par les GES) |
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Barrière physique |
Oui (verre/plastique) |
Non (pas de couverture, les GES agissent comme un filtre sélectif) |
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Rôle de la vapeur d’eau |
Contribue à l’humidité, mais pas au mécanisme principal |
Principal GES naturel, avec rétroaction climatique |
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Équilibre énergétique |
Local et simple |
Global, dynamique et complexe (flux radiatifs, convection, etc.) |
Tableau : comparaison d’une serre de jardin versus effet de serre atmosphérique
Réchauffement climatique : quand l’effet de serre se détraque
« L’effet de serre » n’a pas de définition unique au niveau mondial. Mais dans les rapports du Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC), qui est une référence, l’effet de serre est expliqué comme :
“Un processus naturel par lequel certains gaz présents dans l’atmosphère terrestre (comme la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, le méthane, etc.) absorbent et réémettent une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre. Ce mécanisme réduit la quantité de chaleur perdue vers l’espace et maintient ainsi une température moyenne à la surface de la planète compatible avec la vie.”
En conclusion, l’effet de serre est un phénomène naturel indispensable à la vie sur Terre. Cependant, le réchauffement climatique que nous observons aujourd’hui résulte d’un dérèglement profond de cet équilibre naturel. En libérant massivement des gaz à effet de serre dans l’atmosphère – notamment par la combustion d’énergies fossiles, la déforestation et les activités industrielles – les activités humaines intensifient artificiellement ce phénomène. Cette augmentation de la concentration en dioxyde de carbone (CO₂) et en méthane (CH4) piège davantage de rayonnement infrarouge, provoquant une élévation progressive et rapide de la température moyenne globale.
Sans une réduction significative des émissions de gaz à effet de serre, le climat pourrait atteindre des niveaux de chaleur extrême comparables à ceux observés il y a plusieurs millions d’années, bien avant l’apparition de l’espèce humaine.
A titre d’exemple, au cours de ces périodes géologiques :
- Au Pliocène, il y a environ 3 à 5 millions d’années, les températures étaient 2 à 3 °C plus élevées qu’aujourd’hui. Le niveau des mers atteignait plusieurs mètres plus haut, et le Groenland ne comportait alors pas de glace.
- À l’Éocène, il y a 34 à 56 millions d’années, le climat était beaucoup plus chaud : les températures globales dépassaient de 10 à 15 °C celles d’aujourd’hui. Il n’existait pas de calottes glaciaires polaires, et l’on trouvait même des palmiers près des pôles.
De plus, la température d’équilibre climatique est généralement plus élevée que la température immédiate. Car le système Terre-Océan continue d’emmagasiner de la chaleur même après la stabilisation des émissions. Autrement dit : même si les émissions s’arrêtaient aujourd’hui, la température continuerait encore d’augmenter légèrement avant de se stabiliser. La température d’équilibre de la planète a varié à l’échelle géologique entre 11°C et 36°C. Ces variations se sont produites lentement, laissant aux espèces le temps de s’adapter biologiquement : certaines ont évolué, d’autres ont disparu. Cette vulnérabilité souligne l’importance de comprendre précisément les mécanismes qui régulent le climat, et notamment l’effet de serre. Comme le souligne la paléoclimatologue Jessica Tierney « les Hommes et les autres espèces avec lesquelles nous partageons cette planète sont adaptés à un climat froid. Nous placer rapidement dans un climat chaud est une chose dangereuse ».
