On me demande souvent comment le dioxyde de carbone peut avoir un effet important sur le climat mondial alors que sa concentration est si faible, à peine 0,041% de l'atmosphère terrestre. Et les activités humaines ne sont responsables que de 32 % de ce montant.

J'étudie l'importance des gaz atmosphériques pour la pollution de l'air et le changement climatique. La clé de la forte influence du dioxyde de carbone sur le climat est sa capacité à absorber la chaleur émise par la surface de notre planète, l'empêchant de s'échapper dans l'espace.

Début de la science des serres

Les scientifiques qui ont identifié pour la première fois l'importance du dioxyde de carbone pour le climat dans les années 1850 ont également été surpris par son influence. Travailler séparément, John Tyndall en Angleterre et Eunice Foote aux États-Unis ont découvert que le dioxyde de carbone, vapeur d'eau et méthane toute la chaleur absorbée, contrairement aux gaz plus abondants.

Les scientifiques avaient déjà calculé que la Terre était environ 59 degrés Fahrenheit (33 degrés Celsius) plus chaude qu'elle ne devrait l'être, étant donné la quantité de lumière solaire atteignant sa surface. La meilleure explication de cet écart était que l'atmosphère retenait la chaleur pour réchauffer la planète.

Tyndall et Foote ont montré que l'azote et l'oxygène, qui représentent ensemble 99% de l'atmosphère, n'avaient essentiellement aucune influence sur la température de la Terre car ils n'absorbaient pas la chaleur. Plutôt, ils ont découvert que les gaz présents dans des concentrations beaucoup plus faibles étaient entièrement responsables du maintien des températures qui rendaient la Terre habitable, en piégeant la chaleur pour créer un effet de serre naturel.

Une couverture dans l'atmosphère

La Terre reçoit constamment de l'énergie du soleil et la renvoie dans l'espace. Pour que la température de la planète reste constante, la chaleur nette qu'il reçoit du soleil doit être compensée par la chaleur sortante qu'il dégage.

Puisque le soleil est chaud, il émet de l'énergie sous forme de rayonnement à ondes courtes à des longueurs d'onde principalement ultraviolettes et visibles. La Terre est beaucoup plus froide, il émet donc de la chaleur sous forme de rayonnement infrarouge, qui a des longueurs d'onde plus longues.

Le dioxyde de carbone et d'autres gaz piégeant la chaleur ont des structures moléculaires qui leur permettent d'absorber le rayonnement infrarouge. Les liaisons entre les atomes d'une molécule peuvent vibrer de manières particulières, comme la hauteur d'une corde de piano. Lorsque l'énergie d'un photon correspond à la fréquence de la molécule, il est absorbé et son énergie est transférée à la molécule.

Le dioxyde de carbone et d'autres gaz piégeant la chaleur ont trois atomes ou plus et des fréquences qui correspondent au rayonnement infrarouge émis par la Terre. Oxygène et azote, avec seulement deux atomes dans leurs molécules, n'absorbe pas le rayonnement infrarouge.

La plupart des rayonnements à ondes courtes provenant du soleil traversent l'atmosphère sans être absorbés. Mais la plupart des rayonnements infrarouges sortants sont absorbés par les gaz piégeant la chaleur dans l'atmosphère. Ensuite, ils peuvent libérer, ou re-rayonner, cette chaleur. Certains retournent à la surface de la Terre, le garder plus chaud qu'il ne le serait autrement.

Recherche sur la transmission de chaleur

Pendant la guerre froide, l'absorption du rayonnement infrarouge par de nombreux gaz différents a fait l'objet d'études approfondies. Les travaux ont été menés par l'U.S. Air Force, qui développait des missiles à tête chercheuse et avait besoin de comprendre comment détecter la chaleur traversant l'air.

Cette recherche a permis aux scientifiques de comprendre le climat et la composition atmosphérique de toutes les planètes du système solaire en observant leurs signatures infrarouges. Par exemple, Vénus mesure environ 870 F (470 C) car son atmosphère épaisse contient 96,5 % de dioxyde de carbone.

Il a également informé les prévisions météorologiques et les modèles climatiques, leur permettant de quantifier la quantité de rayonnement infrarouge retenu dans l'atmosphère et renvoyé à la surface de la Terre.

Les gens me demandent parfois pourquoi le dioxyde de carbone est important pour le climat, étant donné que la vapeur d'eau absorbe plus de rayonnement infrarouge et que les deux gaz absorbent à plusieurs des mêmes longueurs d'onde. La raison en est que la haute atmosphère terrestre contrôle le rayonnement qui s'échappe dans l'espace. La haute atmosphère est beaucoup moins dense et contient beaucoup moins de vapeur d'eau que près du sol, ce qui signifie que l'ajout de plus de dioxyde de carbone influence considérablement la quantité de rayonnement infrarouge qui s'échappe dans l'espace.

Observer l'effet de serre

Avez-vous déjà remarqué que les déserts sont souvent plus froids la nuit que les forêts, même si leurs températures moyennes sont les mêmes ? Sans beaucoup de vapeur d'eau dans l'atmosphère au-dessus des déserts, le rayonnement qu'ils dégagent s'échappe facilement dans l'espace. Dans les régions plus humides, le rayonnement de la surface est piégé par la vapeur d'eau dans l'air. De la même manière, les nuits nuageuses ont tendance à être plus chaudes que les nuits claires parce qu'il y a plus de vapeur d'eau.

L'influence du dioxyde de carbone peut être observée dans les changements climatiques passés. Les carottes de glace du dernier million d'années ont montré que les concentrations de dioxyde de carbone étaient élevées pendant les périodes chaudes, soit environ 0,028 %. Pendant les périodes glaciaires, lorsque la Terre était environ 7 à 13 F (4-7 C) plus froide qu'au 20e siècle, le dioxyde de carbone ne représentait qu'environ 0,018% de l'atmosphère.

Même si la vapeur d'eau est plus importante pour l'effet de serre naturel, les changements dans le dioxyde de carbone ont entraîné des changements de température passés. En revanche, les niveaux de vapeur d'eau dans l'atmosphère réagissent à la température. Alors que la Terre se réchauffe, son atmosphère peut contenir plus de vapeur d'eau, qui amplifie le réchauffement initial dans un processus appelé « rétroaction de vapeur d'eau ». Les variations du dioxyde de carbone ont donc été l'influence déterminante sur les changements climatiques passés.

Petite monnaie, grands effets

Il ne devrait pas être surprenant qu'une petite quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère puisse avoir un effet important. Nous prenons des pilules qui ne représentent qu'une infime fraction de notre masse corporelle et nous nous attendons à ce qu'elles nous affectent.

Aujourd'hui, le niveau de dioxyde de carbone est plus élevé qu'à aucun autre moment de l'histoire de l'humanité. Les scientifiques conviennent largement que la température moyenne de la surface de la Terre a déjà augmenté d'environ 2 F (1 C) depuis les années 1880, et que les augmentations d'origine humaine du dioxyde de carbone et d'autres gaz piégeant la chaleur sont extrêmement susceptibles d'être responsables.

Sans action pour contrôler les émissions, le dioxyde de carbone pourrait atteindre 0,1% de l'atmosphère d'ici 2100, plus du triple du niveau d'avant la révolution industrielle. Ce serait un changement plus rapide que les transitions du passé de la Terre qui auraient eu des conséquences énormes. Sans action, ce petit morceau de l'atmosphère causera de gros problèmes.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.