L'effet de serre est un processus naturel de réchauffement du climat qui intervient dans le bilan radiatif de la Terre. Il est dû aux gaz à effet de serre (GES) contenus dans l'atmosphère, à savoir principalement la vapeur d'eau (qui contribue le plus à l'effet de serre), le dioxyde de carbone CO₂ et le méthane CH₄.

Cet effet a été nommé ainsi par analogie avec la pratique en culture et jardinerie de construire des serres, espaces clos dont une ou plusieurs faces sont constituées de verre, laissant passer la chaleur du soleil et la retenant prisonnière à l'intérieur afin de permettre aux plantes de bénéficier d'un micro-climat artificiel.

Le phénomène d'effet de serre

Lorsque le rayonnement solaire atteint l'atmosphère terrestre, une partie (environ 28.3 %) est directement réfléchie (renvoyée vers l'espace), par l'air, les nuages et la surface de la Terre (en particulier les océans et les régions glacées comme l'Arctique et l'Antarctique), c'est l'albédo. Les rayons incidents qui n'ont pas été réfléchis vers l'espace sont absorbés dans l'atmosphère par les gaz à effet de serre (20.7 %) et à la surface terrestre (51 %).

Cette partie du rayonnement absorbée par la Terre lui apporte de la chaleur (énergie), qu'elle restitue à son tour en direction de l'atmosphère sous forme de rayons infrarouges, c'est le rayonnement du corps noir. Ce rayonnement est alors absorbé en partie par les gaz à effet de serre. Puis dans un troisième temps, cette chaleur est réémise dans toutes les directions, notamment vers la Terre.

C'est ce rayonnement qui retourne vers la Terre qui crée l'effet de serre, il est à l'origine d'un apport supplémentaire de chaleur à la surface terrestre. Sans ce phénomène, la température moyenne sur Terre chuterait d'abord à -18 °C. Puis, la glace s'étendant sur le globe, l'albédo terrestre augmenterait et la température se stabiliserait vraisemblablement à -100°C.

On peut considérer l'atmosphère comme un réservoir d'énergie. Si ce réservoir se remplit - donc si l'énergie emmaganisée par la terre augmente - c'est que le phénomène de l'effet de serre est plus efficace pour retenir (en fait ralentir la déperdition de) l'énergie.

Il faut bien comprendre que l'énergie de l'espace reçue par la terre et l'énergie de la terre émise vers l'espace sont égales en moyenne, sinon, la température de la terre changerait dans un seul sens en permanence, vers toujours plus froid ou vers toujours plus chaud. Si l'échange moyen d'énergie avec l'espace n'est pas nul, cela entraîne un stockage ou un destockage d'énergie de la terre. Ce changement peut se traduire par un changement de température de l'atmosphère. voir Réchauffement climatique.

L'effet de serre doit son nom à l'analogie entre l'atmosphère terrestre et une serre destinée à abriter des plantes. Les parois vitrées de la serre laissent entrer le rayonnement visible (qui transporte la majeure partie de l'énergie solaire) mais réfléchissent (ne laisse pas échapper) des rayonnements infrarouges, cause importante des pertes thermiques de tout corps (loi du corps noir). Le verre de la serre joue donc un rôle analogue à celui de l'atmosphère, en partie rempli par les gaz à effet de serre.

Les gaz à effet de serre

Les gaz à effet de serre sont des composants gazeux de l'atmosphère qui contribuent à l'effet de serre. Les principaux gaz à effet de serre sont la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone (CO₂), le méthane (CH₄), l'oxyde nitreux (ou protoxyde d'azote, de formule N₂O) et l'ozone (O₃). Les gaz à effet de serre industriels incluent les halocarbones lourds (fluorocarbones chlorés incluant les CFC, les molécules de HCFC-22 comme le fréon et le perfluorométhane) et l'hexafluorure de soufre (SF₆).

L'activité humaine

La plupart des gaz à effet de serre (GES) sont d'origine naturelle. Mais certains d'entre eux sont uniquement dus à l'activité humaine ou bien voient leur concentration dans l'atmosphère augmenter en raison de cette activité. C'est le cas en particulier de l'ozone (O₃), du dioxyde de carbone (CO₂) et du méthane (CH₄).
La preuve que l'augmentation du CO₂ atmosphérique est d'origine humaine se fait par analyse isotopique

L'ozone est fourni en grande quantité par l'activité industrielle humaine, alors que les CFC encore largement utilisés détruisent eux, l'ozone, ce qui fait que l'on peut constater un double phénomène :

La combustion des carbones fossiles comme le charbon, la lignite, le pétrole ou le gaz naturel (méthane) rejette du CO₂ en grande quantité dans l'atmosphère. Si bien que seule la moitié est recyclée par la nature, et que l'autre moitié reste dans l'atmosphère, ce qui augmente l'effet de serre. Un des secteurs d'activités qui dégage le plus de gaz à effet de serre est l'énergie : à ce sujet, voir l'article énergie et effet de serre.

Les activités humaines dégagent donc une abondance de GES : les scientifiques qui étudient le climat pensent que l'augmentation des teneurs en gaz d'origine anthropique est à l'origine d'un réchauffement climatique. Ces gaz à effet de serre fonctionnent donc comme une couverture qui maintient une température chaude à la surface de notre Terre et l'empêchent ainsi de se refroidir.

En France, selon le groupe Facteur 4, les émissions de gaz à effet de serre proviennent des transports pour 26 %, suivis de l’industrie (22 %), de l’agriculture (19 %), des bâtiments et habitations (19 %), de la production et de la transformation de l’énergie (13 %), et du traitement des déchets (3 %). Depuis 1990, les émissions ont augmenté de plus de 20 % pour les transports et les bâtiments. En revanche, elles ont diminué de 22 % dans l’industrie, de 10 % dans le secteur agricole, de 9 % dans le secteur de l’énergie et de 8 % pour le traitement des déchets. (Voir le projet de rapport 2006 du groupe Facteur 4).

Cela ne veut pas dire que l'effet de serre est, par essence, nocif aux écosystèmes : en effet, sans celui-ci, la température terrestre avoisinerait les -18 °C. Cependant un excès de GES pourrait s'avérer nocif.

L'augmentation de la température provoquerait d'abord une augmentation mécanique du volume d'eau de mer par dilatation et par la fonte des glaciers (et non des icebergs), qui engloutirait une partie des terres (les îles coralliennes, comme les îles Maldives sont les premières menacées), mettrait en danger de nombreuses espèces et pourrait être à l'origine de la disparition du premier « poumon » de la Terre : le phytoplancton (produisant 80 % de l'oxygène terrestre et absorbant une part non négligeable de dioxyde de carbone). D'autres conséquences comme l'augmentation de la pluviométrie ou la modification des courants marins pourraient être désastreuses. Des conséquences plus ou moins difficiles à prévoir risquent de provoquer un véritable changement climatique.

Le changement climatique ne peut que perturber les activités humaines, plus ou moins directement. Par exemple, après s'être plaints d'avoir de plus en plus chaud en 2006, les Inuit du Grand Nord québécois, ont obtenu une réduction des tarifs d'électricité. En juin, la température ayant atteint 31 °C pendant près d'une semaine, Larry Watt, le bien-nommé maire de Kuujjuak, la capitale du Nunavik, a passé commande d'une dizaine de climatiseurs pour le conseil municipal.

Le réchauffement climatique semble une réalité au nord du 55^e parallèle : même si les avis diffèrent d'un spécialiste à l'autre, les modèles prévoient que la température devrait y progresser de quatre à sept degrés d'ici le XXII^e siècle et que le niveau des mers des régions polaires devrait augmenter d'un demi-mètre. D'ici seulement 15 ans, certains passages de l'océan Arctique pourraient être navigables quatre ou cinq mois par an au lieu de deux actuellement.

Histoire de la notion d'effet de serre

Dans les années 1780 Horace-Bénédict de Saussure mesure les effets thermiques du rayonnement solaire à l'aide de boites transparentes qu'il dispose dans la vallée et au sommet d'une montagne.

En 1824, Joseph Fourier publie Remarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires dans lesquel il affine l'analyse des expériences de Horace-Bénédict de Saussure en concluant « la température du sol est augmentée par l'interposition de l'atmosphère, parce que la chaleur solaire trouve moins d'obstacles pour pénétrer l'air, étant à l'état de lumière, qu'elle n'en trouve pour repasser dans l'air lorsqu'elle est convertie en chaleur obscure » .

La vapeur d'eau et le dioxyde de carbone sont identifiés comme les principaux responsables de cet effet de serre par John Tyndall en 1861. Il suggère alors qu'une modification de la composition de l'atmosphère peut avoir une influence sur l'évolution du climat.

En 1896 Svante August Arrhenius estime qu'un doublement de la quantité de dioxyde de carbone devrait augmenter de 4° la température moyenne. Il espère ainsi que l'exploitation du charbon permettra de repousser la prochaine ère glaciaire. Le géologue américain Thomas Chamberlin arrivera indépendamment aux mêmes conclusions.

L'effet de serre est à l'origine des alertes du rapport Brundtland (1972). En France, Jean-Marc Jancovici et Hervé Le Treut ont vulgarisé les risques liés à l'effet de serre depuis les années 1980.

Débat scientifique sur l'origine et les conséquences de l'effet de serre

Les études concernant le réchauffement climatique et ses conséquences ont été parmi les plus fournies de l'histoire scientifique inter-disciplinaire. Toutefois, les pressions politiques et les conséquences potentielles pour le lobby industriel lié à l'exploitation des énergies fossiles, que l'adoption de quotas d'émissions carboniques menacerait dangereusement, ont favorisé l'émergence et le développement d'un contre-courant scientifique remettant en cause l'interprétation des données.

Le type de contre-expertises scientifiques apportées contre les théories alarmistes de l'origine anthropique du réchauffement climatique est sujet à caution, notamment à cause du financement de ces contre-expertises par des lobbys industriels, chapeautés par Don Pearlman (cf. Carbon Club) lors des accords signés à Kyoto.

Dans le documentaire vidéo The Greening of the Planet Earth (diffusé en 1988), la Western Fuels Association prévoit que le doublement des émissions de carbone, tel qu'il est en cours, permettrait l'augmentation des surfaces cultivables sur la planète. La Western Fuels Association a également financé le lancement de la World Climate Review, dont le contenu peut difficilement prétendre détenir l'indépendance que réclame l'objectivité scientifique

Certains scientifiques, tout en reconnaissant les changements induits par la montée des eaux et le besoin de prendre des mesures, rejettent le catastrophisme actuel. Par exemple dans le cas des Maldives, qui sont des îles coralliennes, l'hypothèse selon laquelle les coraux seraient tout à fait capables de rehausser les îles plus rapidement que la montée des eaux est parfois avancée. Des espèces seraient alors conduites à régresser ou disparaître, tandis que d'autres apparaîtraient et se développeraient selon les principes de la sélection naturelle. L'histoire de la Terre montre en effet qu'il y a déjà eu dans le passé des périodes où il a fait bien plus chaud et d'autres périodes où il a fait bien plus froid, et qu'à chaque fois la nature a trouvé les réponses appropriées. D'autres répondent à ces mêmes arguments que ces transformations ont duré des millénaires, alors que le changement climatique envisagé se produirait sur un siècle ou deux, ce qui pourrait être trop rapide pour que la nature puisse s'adapter.

Le rôle des contrails ou traînées de condensation des avions a fait l'objet d'un rapport (en anglais) de l'IPCC mais doit encore être éclairci et maîtrisé, notamment dans ses liens avec le trou dans la couche d'ozone qui pourrait induire d'importantes rétroactions susceptibles d'accélérer le réchauffement global (via la réduction des capacités naturelles des écosystèmes à absorber et stocker le carbone).

Effet de serre sur Vénus