Les gaz qui constituent l'atmosphère, et la façon dont l'énergie les traverse ou est absorbée par ceux-ci, jouent un rôle crucial dans la régulation de la température de la planète. L'atmosphère, principalement composée de molécules d'azote (78 pour cent) et d'oxygène (21 pour cent), contient de petites quantités de gaz appelés gaz radiatifs actifs. Les plus importants d'entre eux sont la vapeur d'eau (H₂O), et le gaz carbonique (CO₂). Tous les deux existent en quantités relativement minimes. Ces gaz laissent passer presque toute la lumière, principalement le rayonnement visible, à travers l'atmosphère jusqu'à la surface de la planète où 70 pour cent de l'énergie est absorbée, augmentant la température de la planète. Ensuite, la terre émet le rayonnement thermique (infrarouge) vers l'espace, ce qui maintient un équilibre énergétique: la quantité qui entre dans le système terre/atmosphère est la même que celle qui le quitte. En chemin, quittant l'atmosphère, ce rayonnement thermique est intercepté par les gaz radiatifs actifs. Ils absorbent le rayonnement sortant, ce qui augmente leur température. Cette interaction entre l'émission du rayonnement thermique et l'absorption par l'atmosphère élève la température globale de la planète et du système atmosphérique au delà de ce qu'elle serait si l'atmosphère n'était pas présente. En fait, sans la présence de ces gaz dans l'atmosphère, la température de la terre ne serait que de -17 C. Au lieu de cela, grâce à l'énergie absorbée par l'atmosphère, la température globale moyenne est d'un confortable 15 C. Cette capacité isolante est connue sous le nom "d'effet de serre" parce que ce mécanisme ressemble beaucoup à celui d'une serre, où la lumière visible passe à travers le verre du plafond, mais où la chaleur est retenue à l'intérieur à cause de l'absorption par le verre du rayonnement infrarouge.

Malheureusement, les activités humaines, telles que la combustion des combustibles fossiles, l'utilisation des engrais à grande échelle, l'élevage de bovins, et le déboisement ont commencé à augmenter directement la teneur en "gaz à effet de serre" (GES) de l'atmosphère au delà des niveaux naturels. On s'attend à ce que l'augmentation de la concentration des GES accroisse la température globale moyenne de la planète à des niveaux qui risquent de perturber les systèmes atmosphérique, océanique, écologique et finalement le bien être humain. L'accentuation de cet effet de serre naturel constitue ce que l'on appelle le "réchauffement de la planète."

Les principaux GES, par ordre de leur contribution estimée au réchauffement planétaire sont: le gaz carbonique, le méthane, les halocarbures, et le protoxyde d'azote. Les mesures faites dans des régions isolées autour du globe révèlent irréfutablement l'accroissement de la concentration atmosphérique de ces gaz. Certains, comme le gaz carbonique, sont produits à la fois naturellement et par l'homme. D'autres comme les halocarbures sont uniquement fabriqués par l'homme.

Les principaux gaz à effet de serre

Le gaz carbonique (CO₂): il est de loin le facteur le plus important du changement climatique. Il contribue environ 64 pour cent du réchauffement actuel estimé. Les sources principales d'émission de CO₂ dans l'atmosphère sont la production, le transport, le raffinage et la consommation des combustibles fossiles (86 pour cent), le déboisement tropical et le brûlage d'autres biomasses (12 pour cent), et d'autres sources diverses (2 pour cent), comme par exemple, la fabrication du ciment et l'oxydation du monoxyde de carbone en gaz carbonique. Une fois émise, une molécule de CO₂ circule dans la biosphère avant d'être définitivement mise hors de circulation par les processus océaniques ou par l'accroissement, pour une période prolongée, du stockage par les plantes. Le temps nécessaire pour qu'environ 63 pour cent des émissions d'un gaz soient éliminées de l'atmosphère est appelé le temps de séjour effectif. Ce paramètre, de première importance pour calculer les effets climatiques d'un GES, souffre d'une grande incertitude. Quand le taux d'émission d'un GES est supérieur au taux d'élimination, le résultat est un accroissement de sa concentration atmosphérique. L'augmentation du CO_2, quant à elle, dure depuis le siècle dernier, au moins. La fourchette du temps de séjour effectif du CO₂ se situe entre 50 et 200 ans, selon les estimations.

Le méthane (CH₄): il est à la fois naturel et produit par l'homme. Les sources anthropiques sont principalement, la production de combustibles, la fermentation entérique (des bovins, par exemple), la culture du riz, les émissions des décharges d'ordures, et le déboisement (principalement la destruction par le feu de la biomasse et le pourrissement de l'excès de matière organique). Les émissions de méthane, qui contribuent à environ 20 pour cent du réchauffement global estimé, sont une source importante de GES. Molécule pour molécule, le CH₄ est 21 fois plus efficace que le CO₂. Le principal mode d'élimination du CH₄ de l'atmosphère est sa réaction avec le radical hydroxyl (OH).¹ Du fait que de nombreux hydrocarbures et halocarbures (y compris beaucoup de substances destructrices d'ozone) sont aussi éliminés de l'atmosphère à la suite de réactions avec OH, une concentration plus élevée de CH₄ peut avoir des effets importants sur la capacité de l'atmosphère d'éliminer les gaz à effet de serre. Il semblerait que le CH₄ et d'autres polluants soient responsables de la diminution de la concentration de OH. Environ 30 pour cent de l'accroissement de la concentration du CH₄ dans l'atmosphère est due à la capacité réduite de l'atmosphère de l'absorber.

Les halocarbures: c'est une classe de composés chimiques, à la fois anthropiques et naturels qui contiennent du carbone et un ou plusieurs atomes appartenant à famille des halogènes, comme le fluor et le chlore.² Les plus importants de ces halocarbones, pour ce qui est de leur participation au réchauffement de la planète, sont les chlorofluorocarbones (CFC aussi connus sous leur nom de marque de Fréon); en particulier, CFC-11 et CFC-12. Bien qu'ils existent seulement à l'état de trace dans l'atmosphère, ces composés chimiques possèdent une puissante capacité à retenir la chaleur en plus de leur propriété bien connue de réduction de la couche d'ozone. Les halocarbures comptent pour environ 10 pour cent dans le réchauffement actuel, mais leur concentration atmosphérique a commencé à chuter à la suite d'une interdiction internationale de production et de consommation. Des mesures effectuées sur des produits chimiques semblables utilisés en remplacement des CFCles hydrochloro-fluorocarbones (HCFC) et les hydrofluorocarbones (HFC)indiquent une augmentation de concentration. Si la concentration de ces produits de remplacement continue d'augmenter, ils pourraient contribuer de façon importante au réchauffement.

Le protoxyde d'azote (N₂O): comme le CO₂, le N₂O est présent naturellement dans l'atmosphère. Cependant, la majorité des émissions anthropiques de N₂O proviennent de l'utilisation à grande échelle des engrais azotés artificiels et de l'usage des combustibles fossiles. Les niveaux de N₂O comptent pour environ 6 pour cent du réchauffement actuel.

Les mesures et la modélisation du réchauffement de la planète

Les données sur les températures faites ces cent dernières années révèlent une élévation statistiquement significative de la température moyenne du globe de 0,3 et 0,6 C depuis la fin du 19 ^ème siècle. Bien qu'il y ait certaines incertitudes sur la part attribuable à l'augmentation des GES, les hausses de températures enregistrées jusqu'à présent correspondent de façon générale à la théorie du réchauffement global. Ces éléments mis en évidence, accompagnés de la fréquence accrue de manifestations extrêmes de climats, a amené le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat à conclure que "l'ensemble des éléments mis en évidence suggère que l'influence humaine sur le changement du climat est discernable."⁵

Pour estimer quels changements climatiques futurs pourraient se produire en réponse à l'accroissement des GES, des modèles climatiques ont été développés, contenant diverses hypothèses sur les mécanismes physiques du climat. Bien qu'il y ait des incertitudes dans les prévisions, (principalement sur le rôle de la hausse de l'évaporation et de la formation des nuages dans la redistribution de l'énergie thermique et radiative), il y a un consensus presque unanime pour estimer que la température moyenne du globe augmenterait de 1 à 3,5 C avec un doublement en équivalent de gaz par rapport à l'époque pré-industrielle. Au rythme actuel, on s'attend à ce que cela se manifeste aux environs de l'an 2100. Suivant les régions, les températures pourraient augmenter de 10 C (régions polaires) ou peut-être pas du tout (équateur).

Un réchauffement supérieur à cette estimation est possible, vu les nouvelles augmentations des concentrations des GES. Beaucoup de chercheurs ont suggéré la possibilité d'une augmentation subite et catastrophique du méthane et peut-être aussi du gaz carbonique. L'augmentation des températures pourrait provoquer une fonte suffisante du pergélisol et des couches de sol gelé dans les régions polaires. Des quantités énormes de méthane et de gaz carbonique qui y sont actuellement emprisonnées seraient alors libérées. Les quantités de GES émises pourraient potentiellement être si importantes et leurs effets sur la chimie et la composition atmosphériques si imprévisibles, qu'il n'existe aucun modèle capable d'apporter l'amorce d'une estimation des effets avec une précision passable. Les connaissances ne sont pas assez avancées pour calculer même la probabilité d'un tel événement catastrophique. On sait seulement que c'est possible et que les changements qui en résulteraient pourraient être dévastateurs bien au delà des prévisions des modèles actuels. Mis à part les changements de la température moyenne du globe, de nombreux autres paramètres climatiques pourraient changer du fait de l'augmentation de l'absorption de la radiation sortante et de l'augmentation de la température qui s'ensuivrait. Bien qu'il y ait des incertitudes considérables quant aux détails, les changements possibles les plus importants sont:

• une augmentation des précipitations globales, en particulier en hiver dans les régions de moyenne et haute latitudes
• une diminution de l'humidité de la terre, l'été, dans les régions de latitude moyenne
• une diminution à l'échelle mondiale de la glace des mers et de la couverture de neige
• une augmentation de l'intensité des tempêtes tropicales
• une hausse mondiale du niveau de la mer de 50 cm dès 2100

Une multitude de changements dans les systèmes écologique, biochimique, humain, et animal pourraient se produire, à la suite des perturbations des systèmes climatiques et hydrauliques. Ils pourraient traduire l'ampleur brute du changement climatique ou de la rapidité avec laquelle les changements prévus se manifestent. En fait, il y a des chercheurs qui pensent que la rapidité du changement de température et celle des autres changements sera probablement la cause principale du désordre écologique et économique qui s'ensuivra puisque ni les écosystèmes ni les populations n'auront assez de temps pour s'y adapter.⁶

Quelles sont les options?

Avec les progrès de la science et la diminution des incertitudes, d'autres options sont apparues pour pallier au réchauffement climatique. Etant donné que les émissions de CO₂ provenant de l'utilisation des combustibles fossiles sont la source la plus importante des GES, les changements dans la production et la consommation actuelle d'énergie sont examinés avec soin. Dans la mesure où le charbon produit plus de CO₂ par unité d'énergie produite que le gaz naturel, beaucoup de projets intègrent un passage au gaz naturel pour la production d'électricité (voir ci-dessous). Des réductions supplémentaires d'émissions de CO₂ peuvent être obtenues grâce à des mesures d'efficacité énergétique telles qu'une amélioration de l'éclairage, des procédés industriels plus performants, la co-génération de l'électricité et de la chaleur (voir "La deuxiéme loi de la thermodynamique"), une meilleure isolation des bâtiments, et des voitures et des camions plus économes. Une dépendance accrue par rapport au nucléaire a aussi été suggérée, mais cette alternative n'est pas viable des points de vue économique et écologique (voir l'article principal).

Vu la tendance actuelle de consommation d'énergie et de l'augmentation de l'utilisation de l'électricité dans de nombreuses régions du monde, il parait nécessaire, à long terme, de s'éloigner d'une énergie basée sur les combustibles fossiles pour contrecarrer l'augmentation prévue du CO₂ au niveau que beaucoup jugent nécessaire. A cette fin, on envisage des énergies renouvelables comme les cellules photovoltaïques, la biomasse, et l'énergie éolienne. Le gaz naturel pourrait être une bonne source d'énergie pendant la période de transition vers ces énergies. Cependant, il faut noter que la production de gaz naturel, son transport, et son utilisation ont pour conséquence l'émission de petites quantités de méthane dont l'effet de serre est fortement accru puisque le méthane est un GES plus destructeur que le CO₂. L'augmentation de l'utilisation du gaz naturel devra donc être accompagnée de mesures de réduction des émissions anthropiques de méthane. Cela peut être fait de plusieurs façons, comme par exemple, le captage et l'utilisation du méthane se dégageant des décharges (ces émissions sont le produit de la décomposition anaérobic de la matière organique, comme les déchets de nourriture), la réduction des pertes pendant le transport, et la transformation des déjections animales par le biais de la digestion anaérobic en méthane utilisable.

Il existe aussi la possibilité d'éliminer directement le CO₂ de l'atmosphère par le biais de la croissance de plantes et d'arbres, un palliatif aussi appelée piégeage du carbone. Grâce au reboisement de régions qui, dans le passé avaient été converties en terres agricoles ( la Nouvelle Angleterre, par exemple) une partie de l'augmentation du CO₂ dans l'atmosphère peut être emmagasinée de manière permanente dans les sols et les tissus vivants. On a aussi proposé d'autres scénarios de piégeage comme, par exemple, le pompage de CO₂ dans des réservoirs sous marins et souterrains.

Limiter les émissions d'autres GES comme les halocarbures, le N₂O, et le CH₄ peuvent aussi aider à lutter contre le réchauffement. Comme on l'a vu plus haut, des gains ont été obtenus grâce à la réglementation des fameux CFC, mais des composés comme les hydrofluorocarbones et les hydrochlorofluorocarbones soit ne sont pas réglementés, soit leur élimination progressive n'est prévue que dans quelques décennies.

L'accumulation des GES due aux activités humaines au cours du siècle qui vient de s'écouler est un fait irréfutable. Les caractéristiques radiatives de ces gaz sont aussi bien connues. Ces faits, accompagnés de beaucoup d'autres expériences de laboratoire, de relevés de la température planétaire, et des caractéristiques biochimiques, ont amené à la conclusion générale, acceptée de la plupart des scientifiques dans ce domaine que l'augmentation des GES a déjà un effet sur le climat et cet effet augmentera probablement beaucoup plus si des efforts ne sont pas fait pour les freiner. Les moyens pour les freiner sont bien connusles incertitudes les plus grandes concernent non pas les aspects techniques, mais les coûts.

6. WMO/UNEP, Climate Change 1995: Impacts, Adaptation, and Mitigation of Climate Change, (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1996), pp. 3­12.