Composition de l’atmosphère

Depuis l’ère industrielle, les gaz à effet de serre deviennent plus abondants dans l’atmosphère, atteignant des niveaux inédits depuis 800 000 ans.

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Concentration en CO2

Concentration en CO2 La courbe rouge représente la moyenne mensuelle des concentrations mesurées. La montée régulière de la courbe est saisissante. Cette montée continue de s’accélérer : en 2010, l’augmentation a été de 2,42 ppm. Elle était de l’ordre de 1 ppm durant les années 1960. ...

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Composition de l’atmosphère

La composition de l’atmosphère est désormais bien connue et mesurée de façon fiable. Elle est dominée à 99% par l’azote et l’oxygène depuis au moins un million d’années. Pourtant les propriétés radiatives d’un certain nombre de gaz très minoritaires, au premier rang desquels le dioxyde de carbone (la vapeur d’eau est aussi un gaz à effet de serre, dont la concentration varie entre 0 et 4%) ont des conséquences climatiques importantes. Notons que c’est bien parce que les gaz à effet de serre sont si peu abondants (moins de 0,1% tous gaz confondus hors vapeur) que l’humanité a la capacité d’en modifier sensiblement la concentration.

Naturellement, savoir si l’abondance des gaz à effet de serre dans l’air augmente suppose d’avoir des informations sur la composition atmosphérique passée. Une information qui n’est pas facile à obtenir. On dispose néanmoins d’informations assez précises sur les derniers 800 000 ans, grâce à des carottages effectués dans les glaces de l’Antarctique. C’est que la glace de l’Antarctique se forme non pas par solidification d’eau liquide, mais par compression : à mesure que la neige s’empile, par chutes successives, elle se transforme en glace sous l’effet de son poids. Elle piège ce faisant de minuscules bulles d’air. L’étanchéité complète du matériau fait que ces bulles d’air sont ensuite remarquablement conservées, et que leur analyse devient possible même après des centaines de millénaires.

Le verdict des glaces (et il existe plusieurs carottes, prélevées en des lieux différents, qui se confirment les unes les autres) est sans appel : la concentration en CO2, depuis 800 000 ans et jusqu’à l’ère industrielle, n’a jamais dépassé 300 ppm (parties par million), c'est-à-dire 0,030% de l’atmosphère. Or aujourd’hui ce chiffre atteint 390 ppm. L’augmentation est encore plus forte pour le méthane, un gaz il est vrai beaucoup plus rare. Sa concentration, qui n’avait jamais dépassé 750 ppb (parties par milliard) en 800 000 ans atteint 1750 aujourd’hui. Enfin le protoxyde d’azote, qui culminait à 270 ppb, atteint à présent 310 ppb. Les concentrations de ces trois gaz étaient stables au cours du dernier millénaire, et ont commencé à augmenter aux alentours de 1750, en parfaite synchronisation avec l’ère industrielle.

En outre, l’on connaît avec une grande précision l’évolution de la composition de l’atmosphère à partir de la fin des années 1950, date des premières mesures instrumentales directes du CO2 (le suivi des autres gaz s’est mis en place peu à peu par la suite). Il ressort de ces données que le CO2 atmosphérique augmente sans discontinuer depuis le début de l’ère instrumentale, et de plus en plus vite : l’augmentation des émissions est passée à 3,4% par an au cours de la dernière décennie, contre 2% par an pour la décennie 1990-2000. Le méthane, après un ralentissement puis un plateau d’une décennie entre 1997 et 2008, repart à la hausse depuis quelques années, sans que l’on sache précisément pourquoi. Quant au protoxyde d’azote, il poursuit son ascension régulière.

Ajoutons que les halocarbures, qui sont une vaste famille de composés industriels puissamment « échauffants », augmentent également – pour la plupart à un rythme exponentiel. Deux exceptions méritent d’être signalées : les CFC 11 et 12, bannis par le protocole de Montréal à cause de leurs effets délétères sur la couche d’ozone, sont en régression. Mais pour l’instant, leurs concentrations d’halocarbures sont très faibles : elles se mesurent en parties par trillions, c'est-à-dire en millièmes de ppb.

 

Pour en savoir plus

Peut-on être certain que l’augmentation du CO2 atmosphérique est imputable aux activités humaines ? Plusieurs arguments forts permettent de répondre par l’affirmative. Le premier tient à la composition isotopique du dioxyde de carbone, qui révèle son origine fossile, car la proportion de Carbone 12 s’y accroît au détriment du Carbone 13. Le second réside dans la proportionnalité très étroite entre la consommation d’hydrocarbures par l’homme et l’élévation du CO2 atmosphérique. Enfin le troisième s’appuie sur la concomitance de la hausse du dioxyde de carbone avec une baisse de l’oxygène, ce qui signe une origine par combustion (et non par un quelconque déstockage de CO2). Notons qu’une partie du CO2 émis par l’homme provient de la déforestation et de la fabrication de ciment – mais cette partie ne dépasse pas 15%.

La responsabilité humaine en matière d’halocarbures ne fait pas non plus débat, puisque ces gaz n’existent pas dans la nature. Pour le méthane et le protoxyde d’azote, les choses sont un peu plus complexes. Diverses activités humaines contribuent à en émettre (riziculture, élevage, production d’engrais…) dans des proportions moins bien établies. Mais toutes ces activités sont en développement, et le profil d’accroissement de ces gaz (augmentation depuis 1750) suggère de toutes façons très fortement une origine humaine.

Le cas de la vapeur d’eau mérite également quelques mots. La vapeur d’eau est en effet un gaz à effet de serre puissant, et son absorption dans l’infrarouge dépasse largement celle du CO2. Il reste que le CO2, en termes scientifiques, exerce ce que l’on appelle un « forçage », c'est-à-dire est le moteur de modifications, tandis que l’eau produit une « rétroaction », c'est-à-dire qu’elle subit l’effet du climat. Pourquoi ? Tout simplement parce que le dioxyde de carbone a un temps de résidence long dans l’atmosphère, dépassant le siècle, tandis que celui de l’eau est de l’ordre de la semaine. Résultat : si l’on ajoute une grande quantité de vapeur d’eau à l’atmosphère, elle retombera rapidement sous formes de précipitations. Symétriquement, un assèchement soudain de l’air serait vite compensé par un surcroît d’évaporation océanique. C’est donc la température qui détermine, au bout du compte, la quantité de vapeur d’eau présente. A l’inverse, rajouter du CO2 modifie durablement les propriétés radiatives de l’atmosphère – et induit une évaporation supplémentaire d’eau, qui accentue le réchauffement.

Il est un autre gaz à effet de serre dont le rôle est souvent mal compris, qui est l’ozone. Celui-ci est présent dans deux parties de l’atmosphère très différentes, où il joue des rôles bien distincts. Il est d’une part présent dans la stratosphère, à plusieurs dizaines de kilomètres d’altitude, où il est généré par des processus naturels. Cet ozone stratosphérique protège notre planète des dangereux rayonnements ultraviolets, et sa disparition (le fameux « trou ») sous l’effet de composés chimiques d’origine industrielle a conduit au protocole de Montréal, chargé de préserver la couche d’ozone. Mais ce composé est également présent dans la couche basse de l’atmosphère. Là l’ozone est un puissant gaz à effet de serre, et en outre un polluant nocif. Cet ozone dit troposphérique est presque entièrement dû aux activités humaines : il est généré par les combustions imparfaites d’hydrocarbures, par les moteurs électriques etc. Mais contrairement à la plupart des autres gaz à effet de serre (vapeur exceptée), l’ozone troposphérique une durée de vie très courte, ce qui en fait une substance moins problématique pour le climat.

Référent scientifique

François-Marie Bréon,

Chercheur au LSCE (Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement) de l'IPSL (Institut Pierre Simon Laplace)