//img.uscri.be/pth/eae6a74dc429a8644c90ed96ef2cbd019626a5b5
Cette publication ne fait pas partie de la bibliothèque YouScribe
Elle est disponible uniquement à l'achat (la librairie de YouScribe)
Achetez pour : 13,99 €

Lecture en ligne (cet ouvrage ne se télécharge pas)

L'EFFET DE SERRE

De
177 pages
L'auteur définit l'effet de serre et il en explique les causes. Il décrit les conséquences pour le milieu, de son accroissement dû à une augmentation des émissions de certains gaz dans l'atmosphère, telles que l'on peut les prévoir aujourd'hui.
Voir plus Voir moins

L'EFFET DE SERRE
Un changement climatique annoncé

Collection Écologie et Agronomie Appliquées dirigée par Richard Moreau

Cette collection, où l'écologie et l'agronomie sont comprises comme des sciences et non comme de simples discours dans l'air du temps, ne se limite à aucune aire préméditée. Elle rassemblera deux types d'ouvrages:

- des

synthèses

qui feront

le point des connaissances

sur des situations

ou

des problèmes précis;

- des études approfondies qui exposeront des hypothèses et des enjeux autour de questions nouvelles ou cruciales pour l'avenir des milieux naturels et de leurs relations avec I'homme. Elle est dirigée par Richard Moreau, professeur de Microbiologie Appliquée à l'Université de Paris XII (Faculté des Sciences), correspondant national de l'Académie d'Agriculture de France.
Déjà parus

LETOLLE René, BENDJOUDI Rocine. Histoire d'une mer au Sahara. Utopies et politique, 1997. TOUCRART Laurent, LETOLLE René, Grands lacs d'Asie, 1998. DE FÉLICE Pierre, La pluie au Sahel, 1999.

@ L'Harmattan, 2001 ISBN: 2-7475-0241-4

Pierre de FELICE

L'EFFET DE SERRE
Un changement climatique annoncé

L'Harmattan 5-7, rue de l'École-Polytechnique 75005 Paris FRANCE

L'Harmattan Inc. 55, rue Saint-Jacques Montréal (Qc) CANADA H2Y lK9

L'Harmattan Hongrie Hargita u. 3 1026 Budapest HONGRIE

L'Harmattan Italia Via Bava, 37 10214 Torino ITALIE

REMERCIEMENTS

Je remercie Monsieur le Professeur R. Moreau, directeur de la collection, qui m'a proposé d'écrire ce livre. Je remercie aussi bien vivement mon camarade Alain Viltard qui a donné tournure au manuscrit informe que je lui avais soumis.

INTRODUCTION
Toutes les époques ont eu leurs terreurs, terreurs cosmiques ou animistes, terreurs religieuses (l'an mil) et terreurs scientifiques de nos jours. Certes, les terreurs antiques ou moyenâgeuses subsistent: vendredi treize, échelle, chat noir, sel renversé, verre brisé et combien d'autres que je ne connais pas. Certaines sectes, pseudo-religieuses, colportent ces terreurs: l'éclipse, l'An 2000, Harmaguédon, ... Ces craintes irrationnelles sont dérisoires et provoquent la pitié pour ceux qui les éprouvent. Les craintes modernes, qui s'appuient ou croient s'appuyer sur la Science, ne peuvent pas toujours être rejetées d'un sourire ironique; d'ailleurs elles s'accompagnent parfois de mises en garde non dépourvues de pertinence. Dans l'antiquité, le sort, lefatum latin (heureux et surtout malheureux) était inéluctable. Lorsque l'oracle avait parlé on ne pouvait échapper à son destin, qu'il soit individuel ou collectif. Œdipe tue son père malgré toutes les précautions que l'on prend pour qu'il ne rencontre pas Laïos. Cassandre prédit la destruction de Troie après le rapt d'Hélène, et malgré une défense héroïque qui dura dix ans et malgré l'intervention de quelques divinités dans chaque camp, la ville, selon la prédiction, fut engloutie dans « une nuit éternelle ». Plus près de nous, des contes, comme La belle au bois dormant, nous présentent le sort inexorable (ou presque) qui attend ceux qui sont maudits par les sorcières. On retrouve une croyance un peu analogue chez les adeptes de

l'astrologie: le développement des humains et de leurs entreprises serait fixé, dès leur naissance, par la position des planètes du système solaire. Il est curieux que la croyance à l'inéluctable ait persisté jusqu'à ce jour dans les sociétés christianisées, car la Bible refuse celui-ci et proclame que le malheur peut être et a été vaincu. Dans l'Ancien Testament, le châtiment annoncé aux habitants de Ninive par le prophète Jonas paraît inévitable, mais les Ninivites se repentent de leur mauvaise conduite et leur ville n'est pas détruite, au grand dépit du prophète, d'ailleurs (Jonas, ch. IV, v.l). Aujourd'hui, comme jadis dans la Bible, les catastrophes annoncées ont l'homme pour cause. Pour rester dans l'atmosphère, le dépérissement des forêts causé par les pluies acides, le trou d'ozone aux pôles au printemps, causé, en partie au moins, par les CFC (chlorofluorocarbones) et, bien sûr, le réchauffement (?) climatique par augmentation de l'effet de serre, auraient l'homme pour origine. Parmi les phénomènes atmosphériques évoqués cidessus, l'effet de serre occupe une place particulière car il n'est pas uniquement maléfique. Il est, au contraire, très bénéfique. On estime que, sans lui, la température à la surface de la terre serait inférieure d'environ 33°C à ce qu'elle est aujourd'hui. Les hypothèses sur lesquelles on s'appuie pour évaluer cet écart sont irréalistes. La terre telle que nous la connaissons, avec des océans, des surfaces glacées, de la végétation, ne peut pas être surmontée d'une atmosphère sans gaz à effet de serre. Il serait plus correct de parler de la variation de l'effet de serre entraînée par des modifications de la composition de l'air. C'est d'ailleurs de cela dont il va être question dans cet ouvrage. Notre planète n'est habitable par les espèces végétales et animales qui nous entourent que grâce à l'effet de serre. Si celuici n'existait pas, il ferait si froid que la terre deviendrait un désert, sauf si des espèces inconnues, adaptées aux basses températures, apparaissaient.

6

Pour bien saisir l'effet de serre, ses bienfaits mais aussi les risques qu'il peut faire courir à la vie, il faut en comprendre le mécanisme. La principale source d'énergie pour l'ensemble terre-océan-atmosphère est, aujourd'hui encore, le soleil. C'est grâce à son rayonnement reçu sur la terre que l'eau des océans est liquide pour la plus grande part, que les végétaux et les animaux peuvent se développer dans de l'air suffisamment chaud. Le premier chapitre de ce livre est consacré à la description des phénomènes de rayonnement dans l'atmosphère, leur émission ainsi que leurs interactions avec les corps matériels: réflexion, diffusion, absorption et transmission. Nous passerons en revue les propriétés optiques des corps qui constituent l'atmosphère: gaz et particules liquides et solides. Lorsque le soleil ne brille pas ou brille peu comme en hiver à nos latitudes ou comme dans les régions polaires en toutes saisons, les hommes, et parfois aussi les animaux, peuvent souffrir du froid. Pendant longtemps l'homme a lutté contre celui-ci en se couvrant. Après la découverte du feu on a brûlé des matières carbonées: bois, huile animale. Ces matériaux avaient été formés à l'aide de l'énergie solaire absorbée par les végétaux. Les hommes furent d'abord peu nombreux et leurs besoins en énergie modestes. Mais, peu à peu, ils se multiplièrent et inventèrent des machines qui transformaient la chaleur en énergie mécanique et rendaient la vie plus facile et plus confortable. Le bois et l'huile animale ne leur suffisaient plus et ils ne savaient pas utiliser directement le rayonnement solaire. De nouvelles sources d'énergie furent trouvées dans le charbon, le pétrole et le gaz. Ces combustibles s'étaient accumulés durant des millions d'années, grâce à l'absorption d'une petite fraction du rayonnement solaire par les plantes. Ces matières fossiles ont été consommées en quantités croissantes, depuis le milieu du dixhuitième siècle jusqu'à nos jours. Leur combustion fournit à l'atmosphère, principalement, de la vapeur d'eau et du gaz carbonique. S'il est difficile d'évaluer la quantité d'eau (sous ses trois formes solide, liquide et gazeuse) dans l'atmosphère, il est

7

relativement aisé de mesurer la teneur en gaz carbonique de l'air. Nous verrons qu'elle augmente de plus en plus vite. Avec les nuages, ces deux gaz sont les facteurs principaux de l'effet de serre. Le deuxième chapitre est consacré d'abord au gaz carbonique. On passe en revue les réservoirs de carbone dans l'atmosphère, l'océan et les continents ainsi que les échanges entre ces réservoirs. A la fin du chapitre on décrit brièvement la formation et le transport de quelques autres gaz à effet de serre comme le méthane, l'ozone, les oxydes d'azote et les chIoroftuorocarbones. Dans le troisième chapitre, on évoque l'effet de serre des nuages et des aérosols qui sont des ensembles de particules solides et liquides très petites et qui séjournent plus ou moins longtemps dans l'atmosphère. Elles peuvent avoir une action directe sur la transmission des rayonnements ainsi qu'un effet indirect, car certaines d'entre elles servent de noyaux* de condensation à partir desquels se forment les gouttelettes de nuage. Selon l'abondance de ces noyaux, le nombre des gouttelettes par unité de volume d'air et leurs dimensions peuvent varier et ainsi entraîner des modifications de l' albédo* des nuages. Depuis quelques années, on commence à s'inquiéter de l'effet de serre. Comme il est impossible de faire des expériences en vraie grandeur dans l'atmosphère et comme une expérience à petite échelle n'aurait guère de sens à cause de la complexité des phénomènes qui interviennent et du danger que l'on pourrait faire courir aux hommes, on est contraint de simuler l'effet de serre à l'aide de modèles* de circulation générale de l'atmosphère (MCG) dont se sont dotés les grands centres météorologiques nationaux et quelques laboratoires de recherche. Les phénomènes physiques y sont pris en compte dans de très puissants ordinateurs, à l'aide d'équations qui les décrivent aussi précisément que possible. Les résultats de ces simulations montrent tous que l'accroissement des gaz à effet de serre va

8

élever la température de l'air près du sol. Il y a cependant différences entre les résultats annoncés. Le chapitre IV consacré à la description de la modélisation du climat et de évolution consécutive à une augmentation de la teneur en carbonique de l'air.

des est son gaz

Alertés par les météorologistes, les gouvernements ont cherché à s'éclairer sur l'effet de serre. Sous l'égide des Nations Unies, l'Organisation Météorologique Mondiale (OMM) a créé un groupe international d'experts (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC, en français Groupe intergouvernemental sur l'évolution du climat, GlEC) chargé: (1) d'établir scientifiquement le changement du climat, (2) d'évaluer l'impact de ce changement sur le milieu et l'économie et (3) de proposer des stratégies pour remédier à ce changement. Je me suis largement servi des rapports de ce groupe d'experts pour écrire ce livre. Parmi toutes les évolutions possibles des teneurs en gaz à effet de serre de l'atmosphère, il en est une qui a particulièrement retenu l'attention des modélistes: le doublement du dioxyde de carbone d'ici au milieu du vingt-et-unième siècle. Dans cette hypothèse, ils ont tenté de prévoir les conséquences de ce doublement. Le chapitre V présente celles-ci pour l'hydrosphère. On décrit quelle pourrait être l'évolution des océans et, en particulier, la hausse de leur niveau qui aurait un impact sur les régions côtières, les deltas, les îles coralliennes. Dans une deuxième partie de ce chapitre on envisage les changements du régime des pluies sur les continents et ses conséquences pour le ruissellement, l' évapotranspiration *, la neige, les glaciers. Les conséquences prévues d'un doublement du dioxyde de carbone pour la biosphère sont exposées au chapitre VI. On s'intéresse plus particulièrement aux forêts, à la savane, à la brousse et aux cultures des régions tempérées. A la fin du chapitre, on passe en revue les activités humaines qui pourraient être affectées par un changement du climat. Cette dernière partie

9

est très peu développée car il ne s'agit plus de science et les modèles ne sont pas de bons outils pour prévoir les réactions des sociétés. Je ne parle qu'incidemment des propositions qui ont été faites pour pallier ou enrayer l'augmentation de l'effet de serre car elles ressortissent plus de la politique que de la science, mais je donne, au chapitre VII, les dates des principales réunions internationales qui avaient pour objet d'organiser la lutte contre la menace de cette augmentation. Je glisse aussi, dans ce chapitre, quelques critiques de la croyance commune concernant l'effet de serre. Aujourd'hui, il ne se passe pas de semaine qu'une revue, un quotidien, une radio ou un autre support médiatique ne traite de l'effet de serre ou d'un sujet voisin. Il serait vain de tenter d'assimiler puis d'introduire dans ce Iivre tous ces renseignements, toutes ces réflexions, tous ces états d'âme. Mon but est de faire le point des principales connaissances sur l'effet de serre et ses conséquences prévisibles à la fin du vingtième siècle pour permettre au lecteur d'évaluer l'intérêt et la pertinence de ce qu'il pourra lire, voir ou entendre sur le sujet. Ce livre veut être un ouvrage scientifique. Il s'adresse à des non-spécialistes en météorologie qui ont reçu, cependant, une bonne formation. Les termes ou expressions qui n'appartiennent pas au langage courant sont expliqués dans un glossaire, à la fin de l'ouvrage, où ils sont classés par ordre alphabétique. Dans le texte, ces termes ou expressions sont suivis d'un astérisque lorsqu'ils apparaissent pour la première fois ou lorsqu'ils réapparaissent loin de l'endroit où on les a d'abord rencontrés. Les sigles sont répertoriés et explicités à la fin de l'ouvrage, dans l'ordre alphabétique de leur version française quand elle existe; on en donne aussi la forme anglo-saxonne.

10

Les symboles utilisés couramment en météorologie et en physique, que l'on rencontre dans cet ouvrage, sont explicités et on en donne leur valeur. Ce livre est, pour une bonne part, un travail de synthèse d'ouvrages, rapports et articles parus dans diverses revues françaises et étrangères, de sorte qu'il y figure beaucoup de références. Ces références apparaissent en général dans le texte par le nom du premier auteur (éventuellement le titre de l'ouvrage), suivi d'un nombre. Celui-ci est reproduit en bas de page et il est suivi de la référence exacte, dans la forme qui est recommandée par l'American Meteorological Society, qui est l'éditeur de plusieurs revues météorologiques de grande qualité, de sorte que bien d'autres éditeurs se sont inspirés de ses recommandations en matière de bibliographie, et les physiciens de l'atmosphère sont familiarisés avec sa façon de présenter les références. On donne successivement le ou les auteurs, l'année, le titre de l'article, le nom, abrégé selon l'usage, de la revue en caractères italiques, le numéro du volume en caractères gras, les numéros des première et dernière pages; pour un livre, on donne le ou les auteurs, le titre en italiques, l'éditeur et, éventuellement, le nombre de pages. Toutes les références de bas de page sont rassemblées dans la bibliographie où elles sont classées par ordre alphabétique du premier auteur. J'emprunte plusieurs figures aux rapports de l'IPCC, qui sont disponibles au siège de l'OMM, à Genève. Certaines de celles-ci n'ont pas d'auteur indiqué de sorte que la référence de bas de page est IPCC, suivie de l'année de parution du rapport et de son titre. Pour d'autres figures, IPCC mentionne le ou les noms des auteurs. Dans ce cas, je porte le nom du premier auteur et l'année de parution de l'article ou de l'ouvrage en bas de page et je donne la référence complète dans la bibliographie, à la fin de ce livre. Après la bibliographie des ouvrages cités dans le texte, on a mis les références de quelques autres qui ne sont pas cités mais contiennent une documentation intéressante. Ces titres de Iivres et thèses sont suivis d'une liste de titres de revues où l'on

Il

peut trouver des informations sur l'effet de serre et qui possèdent un comité de lecture, ce qui garantit une certaine qualité scientifique aux articles qu'elles publient. On donne enfin quelques adresses de sites internet spécialisés dans l'effet de serre.

12

Chapitre I

LE RAYONNEMENT DANS L'ATMOSPHERE
Ce chapitre est consacré à la description des propriétés et des effets des deux principaux rayonnements électromagnétiques que l'on observe dans l'atmosphère, le rayonnement solaire et le rayonnement tellurique; on appelle ainsi celui qui est émis par le sol ou l'atmosphère. Les énergies transportées par ces deux rayonnements sont de grandeurs comparables, tandis que les rayonnements provenant de la lune, des planètes ou des étoiles, ou l'énergie venant de l'intérieur de la terre, sont beaucoup plus faibles. Cela ne signifie pas que certains d'entre eux n'aient d'effets importants. Le rayonnement cosmique, qui est émis par des étoiles très chaudes, ionise l'atmosphère mais il n'a pas d'action connue sur l'effet de serre. Généralités sur le phénomène de rayonnement Le rayonnement est un transport d'énergie, soit dans le vide soit dans un milieu matériel. On le met en évidence par ses effets électriques, magnétiques, mécaniques, chimiques, thermiques, biologiques; dans le vide, sa vitesse est c = 299 792458 m S-l,valeur adoptée en 1983.

On peut considérer le rayonnement soit comme un flux de corpuscules, les photons, c'est la théorie proposée par Newton, soit comme une superposition d'ondes (ou radiations), c'est la théorie de Descartes, Snell, Huyghens et Fresnel, notamment. C'est de cette dernière dont nous nous servirons d'abord, mais nous utiliserons la théorie corpusculaire quand elle paraîtra plus appropriée car ces deux approches, qui semblaient opposées, ont été réconciliées. Dans la théorie ondulatoire, chaque onde possède une fréquence* f et une longueur d'onde À, avec la relation À = clf (ici À est la longueur d'onde dans le vide) ; plus la fréquence est grande et plus la longueur d'onde est petite. En fonction de leur fréquence (ou de leur longueur d'onde dans le vide), on classe les radiations en régions spectrales, dont les limites varient un peu d'un auteur à l'autre, surtout dans les basses fréquences. Le tableau I donne les noms des régions spectrales et les limites que nous adoptons (d'après Queneyl).

Tableau I. Régions spectrales conventionnelles
À micron en 0 10-6 0,01 0,40 0,73 100
00

Région spectrale

rayons y (cosmiques)

rayons X

ultraviolet (UV)

visible

Infrarouge (IR)

radioélectriques

Le rayonnement visible est constitué, de façon conventionnelle, des sept couleurs de l' arc-en-ciel: violet, indigo, bleu, vert, jaune, orange et rouge. On remarque que ces sept couleurs, ainsi énoncées, font un alexandrin, avec ses douze pieds et la césure après bleu.

1 Queney, P., 1974 : Eléments de Météorologie, Ed. Masson et Cie, Paris, 300 p.

14

L'unité de fréquence est le Hertz (Hz), qui est une oscillation par seconde. L'unité de longueur d'onde est l' Ângstr~m (1 Â = 10-10m) pour les plus petites, le micron (1 /lm = 10-6m) pour de plus grandes; pour des ondes encore plus grandes, on utilise le millimètre, le centimètre, etc. - action d'un milieu matériel sur une radiation Lorsqu'une radiation monochromatique (de fréquence déterminée) pénètre dans un milieu matériel, on constate, en général: -une modification de sa vitesse de propagation, en grandeur et aussi, le plus souvent, en direction. Si v est sa
nouvelle vitesse, le rapport n

= c/v

est l'indice

de réfraction

du

milieu matériel; v est en général fonction de la fréquence de la radiation. Pour la lumière visible, lorsque la pression atmosphérique est de 1013,25 hPa, qui est la pression moyenne au niveau de la mer, l'indice de réfraction de l'air est d'environ 1,000 272, ce qui est très proche de 1. Cela signifie que la lumière va presque aussi vite dans l'air que dans le vide. Cet indice se rapproche encore de 1 lorsque l'on s'élève dans l'atmosphère, c'est-à-dire lorsque la masse volumique de l'air diminue. -une diminution de l'énergie de la radiation à mesure qu'elle se propage. Cette diminution est due à deux phénomènes différents, l'absorption et la diffusion. Pour bien comprendre ces deux phénomènes, il est peut-être plus commode de considérer la lumière comme faite de photons. Lorsqu'un photon interagit avec la matière, soit il est absorbé, c'est-à-dire qu'il cesse d'exister et son énergie est prise par ce qui a interagi avec lui, soit il est diffusé et, dans ce cas, il n'est pas modifié mais il peut changer de direction. Tous les milieux n'agissent pas de la même façon sur les radiations et un même milieu n'interagit pas de façon identique selon la fréquence de la radiation. Les radiations ultraviolettes ou plus courtes peuvent seules produire l'ionisation ou la dissociation des molécules, ainsi que des

15

transitions ~lèctroniques. Les radiations plus longues (visibles ou du proche infra-rouge) provoquent, sur les ITIolécules polyatomiques. des transitions de vibration et les radiations de lïnfrarouge plus lointain provoquent des transitions de rotation. Chaque milieu possède un coefficient de diffusion et un coefficient d' absorption qui varient selon la fréquence.

x

Figure 1. Faisceau de radiatiolls traversant la sluface ds au point l'v!, selon une direction Mx petpendicufaire el ds, dans Ull angle* solide dOJ.

Considérons un petit élément de surface ds, entourant un point M. Soit la direction Mt perpendiculaire à ds, et soit dû) un petit angle* solide entourant Mt (Fig. 1). La puissance monochromatique transportée par un faisceau de radiations dans l'intervalle de fréquence if, f + dj), à travers la surface ds, dans l'angle dw est Jf ds dû) dj; où Jf est l'intensité monochromatique en M, selon Mt. Lorsqu'un tel faisceau parcourt un trajet dx le long duquel la masse volumique du corps matériel absorbant est p, il subit une variation (dJj)abstelle que (dlft, =-KfPdx=-Kf Jf où KI est le coefficient d'absorption massique au point considéré. La dimension de KI est le m2 kg-l, Le trajet optique élémentaire dnz correspondant à clx, est la masse de substance absorbante contenue dans un cylindre de base infiniment petite et de dm,

16

longueur dx, par unité de section droite du cylindre. Sa grandeur s'exprime en kg m-2. La variation de (dJf)dif, due à la diffusion, s'écrit de même
(dl! tif -- K f' dm -

Jf

'

où Kf' est le coefficient de diffusion massique pour la fréquence f et la substance matérielle considérée. Kf et Kf' ont la même dimension. On peut ajouter les deux formules et écrire (dl! Jf )att = -K~dm,

avec

K; = Kf + K~

K; est le coefficient d'atténuation.

Si ces coefficients ne varient pas le long d'un trajet fini MoM, on obtient
Jf = JOf exp(-K;m),

où JOfest l'intensité monochromatique de la radiation au point Mo, et m la longueur optique du trajet MoM, on l'appelle aussi l'épaisseur optique. m=

J

M

Mo

P dx,

Lorsque le milieu matériel traversé par la radiation comporte plusieurs constituants absorbants et diffusants, on obtient les coefficients Kf' Kf et K; grâce aux relatiàns de
type p Kf

=

"LPi Kfi



Kfi

est

la

valeur

du

coefficient

' d'absorption pour le constituant i ; on a des expressions de même type pour K~et K; .

17