CLIMAT / Qu’est-ce que l’effet de serre ?

L’effet de serre est un phénomène naturel fondamental qui régule la température de la Terre en retenant une partie de l’énergie solaire dans l’atmosphère, sans lequel la température moyenne de la planète serait environ 33 °C plus basse, rendant la vie telle que nous la connaissons impossible. Ce processus repose sur des principes physiques bien établis, impliquant les interactions entre le rayonnement électromagnétique, les gaz atmosphériques et la surface terrestre. Pour comprendre son fonctionnement, il faut d’abord examiner le bilan énergétique de la Terre. Le Soleil émet un rayonnement principalement dans le domaine des longueurs d’onde courtes (ultraviolets et lumière visible, entre 0,2 et 4 micromètres), dont environ 30 % est réfléchi par les nuages et les surfaces claires (comme les glaces polaires) — c’est ce qu’on appelle l’albédo — tandis que les 70 % restants sont absorbés par la surface terrestre et les océans. Cette absorption réchauffe la surface, qui émet à son tour un rayonnement thermique dans l’infrarouge (entre 4 et 100 micromètres), conformément aux lois du corps noir de Planck. C’est ici que les gaz à effet de serre (GES) interviennent : contrairement aux principaux constituants de l’atmosphère que sont l’azote (N₂) et l’oxygène (O₂), qui sont transparents au rayonnement infrarouge, les GES comme la vapeur d’eau (H₂O), le dioxyde de carbone (CO₂), le méthane (CH₄) ou le protoxyde d’azote (N₂O) possèdent des molécules capables d’absorber ce rayonnement dans des bandes de longueurs d’onde spécifiques. Cette absorption excite les molécules, qui réémettent ensuite de l’énergie dans toutes les directions, y compris vers la surface terrestre, piégeant ainsi une partie de la chaleur.

Les mécanismes moléculaires sous-jacents à cette absorption sont liés à la structure même des gaz à effet de serre. Une molécule comme le CO₂, composée d’un atome de carbone lié à deux atomes d’oxygène, possède des modes de vibration asymétriques qui lui permettent d’absorber efficacement le rayonnement infrarouge autour de 15 micromètres, une longueur d’onde clé pour le bilan thermique terrestre. De même, la vapeur d’eau, bien que sa concentration dans l’atmosphère soit très variable, absorbe fortement dans les bandes comprises entre 5 et 7 micromètres et au-delà de 20 micromètres. Le méthane, quant à lui, est particulièrement efficace pour absorber autour de 7,7 micromètres, ce qui en fait un GES environ 28 fois plus puissant que le CO₂ sur un horizon de 100 ans, bien que sa concentration atmosphérique soit bien moindre. Ces propriétés d’absorption sont quantifiées en laboratoire et intégrées dans les modèles climatiques sous forme de sections efficaces, qui décrivent la probabilité qu’une molécule given absorbe un photon à une longueur d’onde donnée. L’effet de serre naturel est ainsi le résultat d’un équilibre dynamique entre l’énergie solaire entrante, l’énergie réémise par la Terre et la capacité des GES à retarder le refroidissement de la planète en « recyclant » une partie de cette énergie vers la surface.

Cependant, l’équilibre naturel de l’effet de serre est aujourd’hui perturbé par les activités humaines, qui ont considérablement augmenté les concentrations atmosphériques de plusieurs GES depuis la révolution industrielle. Le CO₂, dont la concentration préindustrielle était d’environ 280 parties par million (ppm), a dépassé 420 ppm en 2024, principalement en raison de la combustion des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) et de la déforestation. Le méthane, dont les émissions proviennent notamment de l’élevage intensif, des rizières et des fuites de gaz naturel, a vu sa concentration plus que doubler, passant de 700 parties par milliard (ppb) à plus de 1 900 ppb. Ces augmentations renforcent l’effet de serre, car une concentration plus élevée de GES augmente la probabilité qu’un photon infrarouge soit absorbé avant de s’échapper vers l’espace. Ce déséquilibre énergétique — appelé forçage radiatif — est quantifié en watts par mètre carré (W/m²) et représente la différence entre l’énergie entrante et sortante au sommet de l’atmosphère. Selon le dernier rapport du GIEC, le forçage radiatif dû au CO₂ seul était de +2,16 W/m² en 2019, tandis que celui du méthane atteignait +0,54 W/m². Ces valeurs peuvent sembler faibles, mais elles suffisent à perturber le climat, car le système terrestre met des décennies, voire des siècles, à atteindre un nouvel équilibre thermique.

Les conséquences de ce renforcement de l’effet de serre sont multiples et interconnectées. D’abord, l’augmentation de la concentration en GES conduit à un réchauffement de la basse atmosphère (troposphère), tandis que la haute atmosphère (stratosphère) se refroidit, car moins de rayonnement infrarouge atteint ces altitudes. Ce réchauffement troposphérique a des répercussions en cascade : il intensifie l’évaporation des océans, augmentant ainsi la quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère — ce qui, ironiquement, amplifie encore l’effet de serre, car la vapeur d’eau est elle-même un GES puissant. Ce mécanisme, appelé rétroaction positive, est l’un des principaux facteurs d’amplification du changement climatique. Par ailleurs, le réchauffement modifie les gradients de température entre les pôles et l’équateur, ce qui peut altérer les courants-jets et les régimes de précipitations, comme en témoignent l’augmentation des événements extrêmes (canicules, pluies diluviennes) observée ces dernières décennies. Les océans, qui absorbent plus de 90 % de l’excès de chaleur, voient leur température moyenne augmenter, ce qui contribue à la dilatation thermique de l’eau (responsable d’environ 40 % de l’élévation du niveau de la mer) et à la fonte accélérée des glaces polaires.

Un aspect souvent méconnu de l’effet de serre est son rôle dans la stabilisation du climat à long terme. Sans lui, les variations de température entre le jour et la nuit, ou entre les saisons, seraient bien plus brutales. Par exemple, sur la Lune, qui ne possède pas d’atmosphère significative, les températures oscillent entre +127 °C le jour et -173 °C la nuit. Sur Terre, en revanche, les GES agissent comme une « couverture » qui lisse ces extrêmes. Cependant, le renforcement anthropique de cet effet perturbe cet équilibre, avec des conséquences qui ne se limitent pas à la seule hausse des températures. L’acidification des océans, causée par la dissolution du CO₂ atmosphérique dans l’eau de mer (formant de l’acide carbonique), menace les écosystèmes marins, notamment les organismes à coquille calcaire comme les coraux ou le plancton. Sur les continents, la modification des régimes hydrologiques affecte l’agriculture, la disponibilité en eau douce et la biodiversité. Les modèles climatiques, comme ceux du CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 6), simulent ces interactions complexes et prévoient, selon les scénarios d’émissions, une hausse des températures moyennes comprises entre +1,5 °C et +4,5 °C d’ici 2100, avec des impacts régionaux très contrastés.

L’effet de serre est un mécanisme physique essentiel à la régulation thermique de la Terre, mais son amplification par les activités humaines bouleverse désormais les équilibres climatiques établis depuis des millénaires. La compréhension fine de ses rouages — depuis l’absorption moléculaire du rayonnement jusqu’aux rétroactions systémiques — est cruciale pour anticiper les évolutions futures et concevoir des stratégies d’atténuation efficaces. Les défis posés par cette perturbation sont à la fois scientifiques, techniques et politiques, car ils exigent une réduction drastique des émissions de GES, une adaptation aux changements déjà en cours, et une coopération internationale sans précédent. L’effet de serre, autrefois un simple concept de physique atmosphérique, est ainsi devenu l’un des enjeux centraux du XXIe siècle.