CHANGEMENT DE CONCENTRATION ATMOSPHÉRIQUE DES GAZ ÀEFFET DE SERRE

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1 CHANGEMENT DE CONCENTRATION ATMOSPHÉRIQUE DES GAZ ÀEFFET DE SERRE J.-P. GARREC Il faut d abord rappeler que l effet de serre est un phénomène naturel bénéfique à la Terre et à ses habitants. Dans ce phénomène, l atmosphère qui nous entoure agit comme un filtre contrôlant les échanges d énergie entre lesoleil, la Terre et l Espace. Plus précisément, l atmosphère laisse pénétrer le rayonnement dans le domaine du visible (centré sur 0,6 µm) mais absorbe une partie du rayonnement infrarouge (centré sur 15 µm) émis par la Terre, ceci grâce àla présence degaz à effet de serre. Il en résulte une élévation de température de l air dans la basse atmosphère : l effet de serre, sans lequel la surface du globe serait à une température moyenne de 18 C, contre +15 Cactuellement. Le principal gaz à effet de serre est la vapeur d eau, mais il existe parallèlement en faible proportion dans l atmosphère terrestre, cinq autres gaz àeffet de serre additionnel qui sont :le CO 2,le CH 4,le N 2 O, l O 3 troposphérique et les CFC (1). C est l augmentation continue de ces cinq gaz, liée au développement des activités humaines, qui est actuellement le problème le plus préoccupant au niveau de la planète. En effet, le réchauffement global de laterre et de l atmosphère qui y est lié risque d entraîner des changements climatiques au niveau du globe sur un pas de temps particulièrement court. L effet de serre n est pas un monopole terrestre et, par exemple, les planètes Vénus et Mars, dont les atmosphères contiennent plus de 95 %deco 2, voient leur température de surface passer respectivement de 30 C à+460 C ( T=490 C), et de 56 C à 46 C ( T=10 C) suite au réchauffement par effet de serre. LA VAPEUR D EAU La vapeur d eau est le gaz-trace dans l atmosphère dont l effet de serre est le plus important (il est de l ordre dedeux fois celui du CO 2 ). Sa concentration (la vapeur d eau est trois à trente fois plus abondante que leco 2 )n est pas modifiée directement par les activités humaines, mais elle pourrait changer dans le futur comme conséquence indirecte de l échauffement global. En effet, l effet de serre, en élevant la température de l eau de mer, accroît l évaporation et cette vapeur d eau crée un (1) Dioxyde de carbone, méthane, oxyde nitreux, ozone, chlorofluorocarbures. Rev. For. Fr. LII -numéro spécial

2 J.-P. GARREC effet de serre additionnel qui accentue encore lephénomène. Mais, parallèlement, la couverture nuageuse qui en résulterait, de par l effet albédo des nuages, valimiter cet effet de serre. Actuellement, au niveau de cette nébulosité, il existe une grande incertitude sur son rôle amplificateur ou réducteur du réchauffement. LE DIOXYDE DE CARBONE Les deux principales causes de son augmentation dans l atmosphère sont d une part la combustion des charbons, pétroles, gaz et bois (75 %), et d autre part la déforestation (25 %). Les caractéristiques et l évolution de ce gaz sont données dans le tableau I(p. 17). Les principaux réservoirs (puits) deco 2 sont dans l ordre :les océans, l atmosphère et la biomasse terrestre. En plus de l accroissement continu des concentrations de CO 2 dans l atmosphère (plus de 360 ppm de CO 2 actuellement contre 280 ppm au début de l ère industrielle), il aété aussi mis en évidence un effet saisonnier au cours de l année, dont l amplitude est de l ordre de 6 à 7 ppmv (2),avec un maximum en mai et un minimum en septembre-octobre. Cette amplitude dépend de la différence entre leco 2 rejeté par la respiration et celui absorbé par la photosynthèse des masses végétales ; et on constate qu elle aaugmenté de 20 %de 1975 à1995, résultat d une accumulation de carbone dans la biosphère. Actuellement, il est toujours très difficile de faire une prévision scientifique du niveau qu atteindra dans un proche avenir la concentration atmosphérique deco 2.En effet, celle-ci dépend de deux types de données largement inconnues : laconsommation future de combustibles fossiles et, par conséquent, la production anthropique deco 2, un inventaire de tous les processus de rétroaction, positive ou négative, qui peuvent intervenir dans le bilan annuel du CO 2 :capacité d absorption des océans, effet de fertilisation sur la végétation, déglaciation des sols gelés en permanence, etc. Cependant, une simple extrapolation linéaire des augmentations déjà constatées permet de prévoir un doublement de cette concentration vers le milieu du XXI e siècle par rapport à sa valeur d avant l ère industrielle. LE MÉTHANE Si les émissions de CO 2 d origine fossile sont connues avec une bonne précision, par contre, les émissions de CH 4 qu elles soient d origines humaines ou naturelles, sont évaluées avec une grande incertitude, de l ordre de 1 à2. Le méthane provient avant tout de processus anaérobies. Les principales sources anthropiques de CH 4 sont :la fermentation entérique du bétail, les rizières, la combustion de la biomasse, et aussi les fuites de gaz naturel. Les sources naturelles sont essentiellement les zones humides. Les caractéristiques et l évolution de ce gaz sont données dans le tableau I(p. 17). (2) Parties par million en volume, c est-à-dire millionièmes du volume. 16

3 Les changements climatiques et la situation de la forêt française L évolution des concentrations de ce gaz dans l atmosphère apparaît très liée àl évolution de la population humaine de la planète, ce qui indique bien que ses principales sources sont les activités anthropogéniques agricoles. L OXYDE NITREUX Les émissions atmosphériques naturelles de N 2 O sont dues principalement à l activité microbienne dans les sols et dans l eau. Les sources anthropiques d émission de N 2 O sont surtout la combustion de la biomasse et les sols cultivés avec une utilisation intensive d engrais. Les caractéristiques et l évolution de ce gaz sont données dans le tableau I(ci-dessous). Comme pour le CH 4,les émissions de N 2 O sont évaluées avec une grande incertitude. L oxyde nitreux se réduit essentiellement dans la stratosphère, où il participe, avec les CFC, àla destruction de la couche d ozone. LES CHLOROFLUOROCARBURES Les CFC sont les seuls gaz àeffet de serre développés par l homme (à partir de 1930). La forte utilisation de ces gaz (aérosols, mousses synthétiques, réfrigérateurs, climatisation, solvants, etc.) tient àleur très grande stabilité chimique, qui se traduit par une durée de vie très longue dans la troposphère. Les CFC sont essentiellement photolysés au niveau de la stratosphère où les nouveaux Tableau I Principales caractéristiques et évolutions des gaz à effet de serre additionnel CO 2 CH 4 N 2 O CFC O 3 Concentration dans l atmosphère en 1800 (ppm) ,80 0, ,010 Concentration dans l atmosphère en1990 (ppm) ,75 0,320 0,001 0,052 HN 0,020 HS Augmentation des concentrations depuis 1800 (%) Émis à 400 partir de 1930 Durée de vie (années) >150 >150 <1mois Augmentation annuelle (%)... 0,5 0,9 0,2 à 0,3 5à 7 1,6 HN 0,7 HS Pouvoir radiatif par rapport au CO Contribution dans l effet de serre total en 1990 (%) Contribution dans l effet de serre total en 2100 (%) Rev. For. Fr. LII -numéro spécial

4 J.-P. GARREC constituants formés (oxydes de chlore, ClO x par exemple) participent à la destruction de la couche d ozone. Signalons que cette dernière entraîne indirectement, d une part, un refroidissement de la haute troposphère (l ozone est un gaz àeffet de serre) et, d autre part, suite àl augmentation du flux d UV-B (ultraviolets de type B), un réchauffement de la basse troposphère lié aux modifications des concentrations d ozone troposphérique qui en résultent. Les caractéristiques et l évolution de ces gaz sont données dans le tableau I(p. 17). Comme le CO 2 et N 2 O, du fait de leur longue durée de vie, les CFC garderont encore très longtemps (un siècle?) une concentration atmosphérique élevée malgré les mesures qui ont été prises pour réduire fortement les émissions (Protocole de Montréal et les accords suivants). L OZONE TROPOSPHÉRIQUE L ozone troposphérique est essentiellement produit à partir de précurseurs issus du trafic automobile et de l industrie. En effet, la formation photochimique d ozone dans l atmosphère est déclenchée par un apport abondant d oxydes d azote NO x et d hydrocarbures, un flux solaire intense, une température élevée et des vents faibles. Les caractéristiques et l évolution de ce gaz sont données dans le tableau I(p. 17). L ozone provient avant tout de sources anthropiques locales (atmosphères urbaines et périurbaines des grandes cités fortement polluées, brûlage de la biomasse en région tropicale), qui entraînent, du fait de la faible durée de vie de ce gaz (quelques semaines), des valeurs deux fois plus élevées dans l hémisphère Nord que dans l hémisphère Sud (dissymétrie dans la distribution des sources de pollution entre le Nord et le Sud). Ceci s observe malgré les fortes variations de saconcentration d un endroit à unautre qui caractérisent ce gaz, et il est prévu qu à l échelle régionale et globale saconcentration dans l atmosphère libre double au cours du prochain siècle. L ozone est essentiellement détruit par photolyse, photochimie, dépôt au sol ou sur la végétation. REMARQUE Si les activités humaines rejettent dans l atmosphère des gaz à effet de serre, elles produisent également d autres gaz et aérosols qui influent indirectement sur l effet de serre : du dioxyde de soufre SO 2 qui se transforme en partie en aérosols de sulfate dans l atmosphère, lesquels vont avoir une action refroidissante sur la Terre en diffusant la lumière solaire et en renvoyant une partie dans l Espace, des aérosols carbonés issus des activités de combustions anthropiques, dont les effets sont identiques à ceux des aérosols de sulfate, des précurseurs de gaz à effet de serre : monoxyde de carbone CO, qui est un précurseur du CO 2 et de l ozone ; oxydes d azote No x,méthane CH 4,composés organiques volatils COV (terpènes, composés benzéniques ), qui sont des précurseurs de l ozone. CONCLUSIONS Bien que des incertitudes persistent, le bilan des résultats des différentes études sur l effet de serre suggère fortement que l activité humaine influe déjà sur le climat global de la Terre. 18

5 Les changements climatiques et la situation de la forêt française Comme beaucoup de gaz à effet de serre ont une durée de vie très longue dans l atmosphère, pour stabiliser leur concentration il ne suffira pas de stabiliser leur émission, il faudra avant tout la réduire de manière conséquente. De plus, outre la réduction des émissions àpartir des combustibles fossiles, il faudra également envisager une réduction de la déforestation en zone tropicale, mais aussi un stockage durable du carbone fixé par les forêts productrices. Jean-Pierre GARREC Laboratoire Pollution atmosphérique INRA Centre denancy F CHAMPENOUX CHANGEMENT DE CONCENTRATION ATMOSPHÉRIQUE DES GAZ À EFFET DE SERRE (Résumé) Depuis le début du XX e siècle, avec la constante augmentation de leurs activités industrielles et agricoles, les sociétés humaines ont modifié plus ou moins localement la composition chimique de leur environnement atmosphérique. C est l augmentation de gaz à effet de serre (CO 2,CH 4,N 2 O, CFC, O 3 )qui est actuellement le problème le plus préoccupant. En effet, ces polluants sont généralement des gaz à très longue durée de vie qui, de ce fait, entraînent pour la première fois une modification de la composition de l atmosphère àl échelle de la planète tout entière, avec des effets différés dans le temps comme la modification probable du climat global de laterre. Rev. For. Fr. LII -numéro spécial

6 J.-P. GARREC CHANGE IN THE ATMOSPHERIC CONCENTRATION OF GREENHOUSE GASES (Abstract) With the constant increase inindustrial and agricultural activities since the beginning of the 20 th century, human societies have altered the chemical composition of the atmosphere both in their immediate vicinity and further afar. The most preoccupying problem today is the increase in the so-called greenhouse gases (CO 2,CH 4,N 2 O, CFC, O 3 ). Indeed, these pollutant gases generally have long life cycles and consequently have for the first time produced achange in the composition of the atmosphere on aglobal scale inducing deferred effects such as a likely change in the earth's climate. 20

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