L'effet de serre - Maxicours

L'effet de serre

Objectifs
  • Rassembler et confronter une diversité d’indices pour restituer les variations passées du cycle géochimique du carbone.
  • Mettre en évidence l’amplitude et la période des variations de l’intensité de l’effet de serre.
  • Exploiter les modifications de la concentration en gaz à effet de serre atmosphérique.
  • Formuler des hypothèses explicatives sur les spécificités du réchauffement climatique à la lueur des connaissances des climats passés.
Points clés
  • L’atmosphère se compose de différents gaz : le diazote (78 %), le dioxygène (21 %), le dioxyde de carbone (0,03 %), la vapeur d’eau (variable en fonction de la latitude) et d’autres gaz rares.
  • Parmi ces gaz, certains présentent des propriétés qui favorisent l’augmentation de la température, on les appelle les « gaz à effet de serre ». C’est le cas du dioxyde de carbone.
  • Les gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère absorbent les rayonnements infrarouges (IR) émis par la surface et émettent en retour des rayonnements IR qui viennent réchauffer la surface de la planète.
  • Grâce à ce processus, la température réelle à la surface de la Terre est de + 15 °C au lieu de –18 °C prévue.
  • D’environ 1 °C en 150 ans, le réchauffement climatique observé au début du XXIe siècle est corrélé à la perturbation du cycle biogéochimique du carbone par l’émission de gaz à effet de serre liée aux activités humaines.
Pour bien comprendre
  • Les climatologues disposent de plusieurs indices géologiques et paléoécologiques permettant de retrouver les concentrations de gaz atmosphériques passées. → Fiche : Utiliser les indices de terrain et les données du laboratoire pour comprendre l’évolution du climat.
  • La matière : De l’air qui nous entoure aux molécules : L’atmosphère (Physique-Chimie - 4e)
  • Les variations de la teneur en gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone peuvent affecter les températures de la Terre. → Fiche : Cycle du carbone et impact sur le climat.

La Terre est une planète singulière au sein du système solaire. C’est la seule où les traces de vie sont évidentes. La présence de l’eau sous ses trois états (solide, gazeux et particulièrement liquide) a été déterminante pour l’apparition de la vie.

L’état de l’eau dépend de deux paramètres physiques : la température à la surface de la planète et la pression qui y règne.

La température dépend essentiellement de la position de la planète par rapport au Soleil, tandis que la pression dépend de la densité des gaz atmosphériques.

Si on compare la température de surface des planètes et satellites du système solaire, on constate que cette température est supérieure à celle calculée en fonction de la distance au Soleil pour la Terre, Mars et Mercure (dit température théorique). Il s’avère que la température réelle à la surface de la Terre est de + 15 °C alors qu’elle devrait être de – 18 °C.

Tableau de comparaison des caractéristiques des planètes du système solaire

Planète Mercure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune
Distance au soleil
(en millions de km)
58 108 150 228 778 1427 2871 4497
Température théorique
(en °C)
+140 +30 –18 –60 –175 –180 –220 –230
Température réelle
(en °C)
+140 +470 +15 –50 –175 –195 –220 –230


Parmi les 4 planètes telluriques du système solaire, la Terre fait partie de celles qui possèdent une atmosphère avec Mars et Vénus.

Tableau de comparaison des caractéristiques atmosphériques des planètes rocheuses

Planète Mercure Vénus Terre Mars
Masse volumique (en g. cm-3) 5,4 5,3 5,5 3,9
Présence d'une atmosphère + + +
Pression atmosphérique (en hPa) 2·10-9 9.104 105 6


Nous pouvons donc émettre l’hypothèse que cette atmosphère joue un rôle dans la différence observée entre températures théorique et réelle mesurée et donc dans la détermination de la température de surface d’une planète.

Comment la composition de l’atmosphère terrestre peut-elle influencer le climat global de la planète ?

1. La composition de l'atmosphère terrestre et sa dynamique naturelle

L'atmosphère est l'enveloppe gazeuse entourant un astre.

La densité de l’atmosphère d’une planète dépend de la masse de cette même planète qui détermine sa gravité.

La nature des molécules de gaz qui sont retenues autour de la planète est définie par cette gravité. Plus elle est importante, plus les gaz retenus ont une masse moléculaire faible.

Dans le cas de la planète Terre, les gaz comme le dihydrogène ou l’hélium sont trop légers pour être retenus. L’atmosphère se compose donc de gaz plus lourds comme le diazote (78 %), le dioxygène (21 %), le dioxyde de carbone (0,03 %), la vapeur d’eau (variable en fonction de la latitude) et d’autres gaz rares.

Les principaux gaz composant l’atmosphère terrestre sont recyclés en permanence et ne séjournent pas définitivement dans cette enveloppe.

a. Le cycle de l'azote

Le diazote est le composant principal de l’atmosphère terrestre. Il est fixé dans la biosphère et permet la fabrication des molécules organiques. Cette fixation est rendue possible par la transformation du N2 en azote assimilable par les êtres vivants (nitrification). Lorsque les êtres vivants meurent, la matière organique est décomposée. Au cours de la réaction de dénitrification, l’azote retourne dans l’atmosphère sous la forme de diazote.

b. Le cycle du carbone

Le carbone existe sous deux formes :

  • le carbone minéral sous la forme de CO2 gazeux dans l’atmosphère ou dissous dans l’eau et sous forme de carbonates dans les roches sédimentaires (lithosphère) ;
  • le carbone organique servant de squelette aux molécules organiques (biosphère). On le retrouve aussi fossilisé dans les roches carbonées de la lithosphère.

Le plus grand réservoir de carbone est la lithosphère (roches sédimentaires).

Il est restitué à l’atmosphère lors des éruptions volcaniques sous la forme de CO2.

Il est échangé entre l’air et l’eau des océans par simple diffusion.

Lieu Quantité (en Gt) Forme
Roches sédimentaires :
• Carbonates (roches sédimentaires)
• Roches carbonées (charbon, pétrole)
30 millions
7 millions
Minérale (CaCO3)
Organique (CHO...)
Hydrosphère :
surtout océans et eaux profondes
39 000
Dissoute
(CO2 ; HCO3 ; CO32-)
Atmosphère 750 Gazeuse (CO2)
Biosphère
surtout dans le sol et les végétaux
2 000 Organique
 

En milieu aérien (surface des continents), il participe à l’altération des minéraux (silicates et carbonates) qui sont emportés dans les océans où il est précipité sous la forme de carbonates.
Le carbone est aussi échangé entre l’atmosphère, l'hydrosphère et la biosphère au cours de la photosynthèse et de la respiration.

c. Le cycle de l'oxygène

L’oxygène est présent dans l’atmosphère sous la forme de dioxygène et de dioxyde de carbone. Le dioxygène est un gaz essentiel à la vie des êtres vivants. Ce gaz n’est présent que dans l’atmosphère terrestre. Il est utilisé au cours de la respiration comme comburant pour produire l’énergie chimique.

Certains êtres vivants, comme les bactéries et les végétaux chlorophylliens, réalisent la photosynthèse au cours de laquelle les molécules organiques sont produites à partir d'eau, de dioxyde de carbone et d'énergie solaire. Au cours de cette réaction, du dioxygène est rejeté dans l’atmosphère.

Les cycles du carbone et du dioxygène sont étroitement liés lors de la photosynthèse et de la respiration.

d. Le cycle de l'eau

À la surface de la Terre, l’eau est présente sous ses trois états :

à l’état solide : dans les calottes glaciaires et les glaciers ;
à l’état liquide : dans les océans et sur les continents (fleuves, étangs, nappes phréatiques, …) ;
à l’état gazeux : dans l’atmosphère (vapeur d’eau).

La quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère varie en fonction de la latitude. Elle dépend du niveau d’évaporation des océans qui est le plus important à l’équateur.

La dynamique de ces cycles naturels permet de maintenir constante la composition en gaz de l’atmosphère et conduit à la température de + 15 °C.

Parmi ces gaz, certains présentent des propriétés qui favorisent l’augmentation de la température, on les appelle les « gaz à effet de serre ».

2. Acteurs et principe de l'effet de serre
Les acteurs

L’effet de serre dépend de la capacité de certains gaz présents dans l’atmosphère à absorber les rayonnements infrarouges alors qu’ils sont transparents au rayonnement visible.

La capacité d’absorption d’une molécule dépend de sa structure. Les molécules triatomiques (H2O, CO2, CH4, O3, N2O, …) sont très absorbantes alors que les molécules diatomiques (O2, N2) le sont peu.


Profils d'absorption des rayonnements solaires par différentes molécules.


On constate que certains gaz naturellement présents dans l’atmosphère sont des gaz à effet de serre : la vapeur d’eau, ainsi que le dioxyde de carbone.

L’ozone (O3) est normalement présent dans la troposphère. Ce gaz se forme lors de la photolyse du dioxygène. Il joue un rôle essentiel dans la vie sur Terre puisqu’il absorbe les rayonnements ultraviolets. Il absorbe aussi les rayonnements infrarouges.

D’autres gaz sont des gaz à effet de serre. Ils ne sont pas naturellement présents dans l’atmosphère mais injectés par les rejets des activités humaines. C’est le cas entre autres du méthane (CH4) et du protoxyde d’azote (N2O) ainsi que de l’ozone.

Principe de l'effet de serre

IR : Infrarouges, GES : Gaz à effet de serre


Les rayonnements solaires traversent l’atmosphère pour venir réchauffer la surface de la planète. Une partie est réfléchie en direction de l’espace, notamment par les nuages formés de cristaux de glace en haute altitude. L’autre partie de l'énergie solaire est absorbée par la surface de laTerre et est réémise en direction de l’atmosphère sous la forme de rayonnements infrarouges (IR).

Cette absorption n’est pas la même partout sur le globe. Elle dépend du pouvoir réfléchissant du sol. Notamment, elle est quasiment nulle au niveau des pôles où l’albédo est le plus élevé à cause de la calotte glaciaire (très réfléchissante).

Les gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère absorbent les rayonnements infrarouges émis par la surface et émettent en retour des rayonnements IR qui viennent réchauffer une seconde fois la surface de la planète.

Grâce à ce processus, la température réelle à la surface de la Terre est de + 15 °C au lieu de – 18 °C prévue.

L’effet de serre est donc un phénomène indispensable au maintien de la vie sur Terre et est déterminant pour le climat global de la planète. Il dépend de la quantité de GES dans l’atmosphère. Aujourd’hui, cette quantité varie sous l’influence des activités humaines.

3. Influence des activités humaines (anthropisation) sur l'effet de serre
a. Modification de la composition de l'atmosphère

À la fin du XIXe siècle, l’ère industrielle a bouleversé l’équilibre des cycles naturels régulant la composition en gaz de l’atmosphère.


  • L’industrialisation qui utilise comme source d’énergie les roches fossiles (charbon, pétrole) favorise le rejet de gaz à effet de serre additionnel dans l’atmosphère, notamment le CO2.
  • Le CO2 est aussi produit lors de la déforestation et de la production de ciments.
  • L’utilisation croissante des engrais au cours du XXe siècle, favorise en plus la libération dans l’atmosphère de N2O (dénitrification des sols) qui est 200 fois plus efficace que le CO2 dans le mécanisme de l’effet de serre.
  • Le méthane est lui aussi un puissant gaz à effet de serre : 25 fois plus puissant que le CO2. Les émissions de méthane ont fortement augmenté depuis 2006. Elles résultent de la libération des réserves initialement piégées dans le sous-sol de l’Arctique (permafrost) sous l’effet de la fonte accélérée des glaces. Le méthane est également libéré par les micro-organismes responsables de la décomposition de la matière organique dans les décharges et par l’estomac des mammifères.

Ces gaz ont une durée de vie relativement longue dans l’atmosphère, ce qui explique leur accumulation.

b. Mise en évidence du lien entre les gaz à effets de serre et le climat

Lors d’expéditions en Antarctique en 1985, les scientifiques réalisent des carottages dans la glace au niveau de la station Vostok. Ils démontrent qu’il existe une corrélation étroite entre les températures moyennes et la teneur en gaz à effet de serre. Cette corrélation est vérifiée sur 400 000 ans.

Aussi, il apparait évident que l’augmentation de la quantité de gaz à effet de serre dans l’atmosphère terrestre a un impact sur le climat global de la planète.

Depuis 1988, le Groupe intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) s’intéresse aux changements climatiques.

4. Évolution du climat et effet de serre

Le climat définit les conditions atmosphériques dans une région donnée sur une période donnée. Il varie donc au cours du temps d’une région à une autre à la surface de la Terre.

Plusieurs facteurs participent à la définition du climat d’une région.

C’est le cas de l’inclinaison de la Terre par rapport au Soleil qui a un impact sur l’angle d’incidence des rayonnements solaires à une latitude donnée. Ce paramètre influence la dynamique des masses d’airs qui participent à la redistribution de l’énergie solaire à l’échelle planétaire.

Le climat peut aussi dépendre des courants océaniques et/ou des éruptions volcaniques.

Depuis 1850, on observe une augmentation globale de la température de surface que l’on attribue à une augmentation des gaz à effet de serre dans l’atmosphère. On estime qu’en un siècle (1906 - 2005), l’augmentation moyenne est de 0,74 °C avec une accélération de cette augmentation à partir de 1976 (+ 0,19 °C par décennie).

Ce réchauffement global se répercute avec un décalage de quelques années sur les océans dont la température augmente aussi, perturbant ainsi les courants marins.

La modélisation de l’évolution des climats dans le futur doit tenir compte de plusieurs facteurs :

  • la durée de vie dans l’atmosphère des GES (100 ans pour le CO2, 10 ans pour le CH4) ;
  • la dynamique des fluides à la surface de la planète (océans et masses d’airs) qui redistribuent l’énergie à l’échelle de la planète.

Quel que soit le scénario prévisionnel proposé par le GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat), on prévoit de manière générale une augmentation de la quantité de CO2 du fait, entre autres, du développement industriel des pays émergents comme la Chine et l’Inde, et donc une augmentation de la température moyenne globale.

La fonte des glaciers continentaux et des banquises vont conduire à une augmentation du niveau de la mer.

On prévoit que les écarts thermiques entre les saisons et les continents seront moins marqués.

Le cycle de l’eau sera perturbé avec une accélération du cycle évaporation / précipitation.

Certaines catastrophes naturelles, comme les cyclones et les ouragans, seront alors plus fréquentes sur certaines zones.

Les zones climatiques tropicales vont se déplacer vers les pôles. La banquise Arctique disparaîtra en été d’ici quelques décennies. Les courants marins tels que le Gulf Stream seront affaiblis, ce qui aura un impact sur le climat en Europe et en Amérique du Nord.

Il existe donc un lien entre l’évolution des climats et les gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère.

Les climats sont déterminants pour la survie des espèces dont l’espèce humaine puisqu’ils déterminent les conditions du milieu de vie. L’agriculture qui sert à nourrir la population humaine est directement dépendante des conditions climatiques.

Si rien n’est fait, on envisage que certaines régions du monde ne pourront plus nourrir leur population d’ici quelques décennies.

5. Conclusion

L’atmosphère terrestre joue un rôle fondamental dans le maintien de la vie sur Terre. Elle présente une composition en gaz originale puisqu’elle contient du dioxygène, indispensable à la respiration des êtres vivants, et d’autres gaz comme la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone.

L’effet de serre est indispensable à la vie sur Terre. Il conduit à une température de surface réelle supérieure à la valeur théorique : + 15 °C au lieu de – 18 °C. Dans ces conditions, l’eau peut exister à l’état solide, liquide et gazeux, ce qui constitue une autre particularité de notre planète.

Il a été démontré que la température de surface de la planète était directement corrélée avec la teneur de l’atmosphère en GES. La composition chimique de l’atmosphère terrestre est régulée par des cycles naturels qui conduisent au recyclage permanent de ces composants. Ces derniers circulent entre ces différentes enveloppes : la biosphère, la lithosphère, l’hydrosphère et l’atmosphère.

Depuis le début de l’ère industrielle, ces cycles sont déséquilibrés, ce qui conduit à une accumulation de certains gaz dans l’atmosphère comme le CO2, ou d’autres gaz anthropiques (issus de l’activité humaine) comme le CH4, le N2O ou l’O3 qui sont des gaz à effet de serre puissants.

On note une élévation inquiétante de la température de la surface de la planète qui conduit à des dérèglements climatiques perceptibles à l’échelle humaine : fonte des calottes glaciaires, perturbation du cycle de l’eau, modification des courants marins, augmentation du niveau des mers.

Ces changements vont conduire à une perturbation régionale des conditions du milieu et donc modifier les écosystèmes des espèces animales et végétales dont l’Homme dépend pour se nourrir.

On envisage que certaines régions du monde auront de plus en plus de mal à subvenir aux besoins alimentaires de leurs populations, notamment dans les régions qui n’ont pas les moyens de développer une politique de prévention.

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