CO2 : le désamour, acte II

Article de Jean-Marc Jancovici, le 22 mar, 2010

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Nous l’avons vu dans un précédent dossier « 50 ans d’aventure et de recherche en antarctique », Claude Lorius - glaciologue grenoblois mondialement reconnu, 1er français à recevoir le prix Blue Planet*- par ses nombreux travaux de recherche sur la glace menés avec son équipe, a remis à la science et à l’homme une clef de lecture de l’évolution climatique à travers le temps : le lien entre climat et concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Une recherche qui a mobilisé toute sa vie et l’a mené au cœur de l’un des plus grands défis de notre société : le réchauffement climatique, et, d’une façon plus générale, au constat de la dégradation de l’environnement planétaire. Les hommes peuvent-ils encore corriger leurs outrances ? En ont-t-ils seulement le désir ?

Jean-Marc Jancovici, spécialiste de l’énergie et du climat, conseiller énergie-climat de Nicolas Hulot et auprès de divers organismes publics et privés, polytechnicien et père du bilan carbone effectue pour Dur’Alpes un énième travail de sensibilisation et de vulgarisation ; l’objet de l’exercice est de comprendre « bien » pour agir « mieux ».
Le dossier de la semaine dernière nous a appris qu’un « gaz à effet de serre » est un gaz présent dans l’atmosphère terrestre qui intercepte les infrarouges émis par la surface terrestre ; que les deux principaux gaz responsables de l’effet de serre de la Terre, depuis que notre planète a une atmosphère, sont la vapeur d’eau (H2O) et le gaz carbonique (CO2) mais qu’il en existe d’autres, et même beaucoup d’autres.

Certains, comme le CO2 et la vapeur d’eau, sont « naturels », c’est-à-dire qu’ils étaient présents dans l’atmosphère avant l’apparition de l’homme. Cette présence ancienne signifie, qu’il existe des sources « naturelles », mais aussi des « puits », qui retirent les gaz en question de l’atmosphère pour les stocker sous une autre forme, permettant à la concentration de rester à peu près stable. Pour la vapeur d’eau le « puits » s’appelle… la pluie, et pour le CO2 une partie du puits est tout simplement la photosynthèse.
Outre la vapeur d’eau et le gaz carbonique, les principaux gaz « naturels » à effet de serre sont : le méthane, qui n’est rien d’autre que… le gaz « naturel » de nos cuisinières, le protoxyde d’azote, l’ozone.

Dire que ces gaz sont « naturels » - et donc qu’ils ont des sources naturelles - ne signifie bien évidemment pas que l’homme n’a pas d’influence sur leurs émissions ou sur leur concentration dans l’atmosphère. Pour les trois gaz mentionnés ci-dessus, comme pour le CO2, il est avéré que l’homme ajoute sa part et a augmenté leur concentration dans l’air de manière significative. C’est du reste pour cela que le CO2, le méthane et le protoxyde d’azote sont pris en compte dans les accords internationaux comme le protocole de Kyoto par exemple.

Que sont les gaz « industriels » à effet de serre ?

A côté des gaz « naturels » à effet de serre, il en existe d’autres, que nous pouvons qualifier d’ « artificiels ». Il s’agit de gaz industriels qui ne sont présents dans l’atmosphère que par le fait de l’homme. Les principaux gaz « industriels » à effet de serre sont les halocarbures : il s’agit d’une vaste famille de gaz obtenus en remplaçant, dans une molécule d’hydrocarbure (le propane, le butane, ou encore l’octane, que l’on trouve dans l’essence, sont des hydrocarbures), de l’hydrogène par un gaz halogène (le fluor, le chlore…). Les molécules ainsi obtenues ont deux propriétés importantes pour nous :

- Elles absorbent très fortement les infrarouges, beaucoup plus que le gaz carbonique à poids égal.
- Certaines d’entre elles sont très « solides » : elles sont chimiquement très stables dans l’atmosphère, et seule la partie la plus « énergique » du rayonnement solaire et intersidéral (les ultraviolets et les rayons cosmiques) peut « casser » les liaisons de ces molécules une fois qu’elles sont dans l’atmosphère. Comme ces processus sont lents et n’interviennent que loin du sol, ces molécules d’halocarbures ont donc des durées de vie dans l’atmosphère qui peuvent être très longues, car il faut attendre qu’elles diffusent dans la stratosphère - donc qu’elles montent haut alors qu’elles sont souvent très lourdes - avant d’être « cassées »… cela peut prendre des milliers d’années.

Une famille particulière d’halocarbures, les CFC (chlorofluorocarbures), a la double propriété de contribuer à l’augmentation de l’effet de serre, mais aussi de diminuer la concentration de l’ozone stratosphérique (la fameuse « couche d’ozone », qui en fait n’est pas vraiment une couche). La production de ces gaz est désormais interdite (ou en cours d’éradication), au titre du protocole de Montréal signé en 1987, qui ne prend pas en compte les autres gaz à effet de serre.

Il existe également un autre gaz industriel que l’on mentionne souvent dans les milieux spécialisés, l’hexafluorure de soufre. Il est utilisé par exemple pour les applications électriques (transformateurs) et… les doubles vitrages. Il n’est pas émis en grande quantité mais est encore plus absorbant pour les infrarouges et résistant à la partie « dure » du rayonnement solaire que les halocarbures.

D’où proviennent les grands responsables de l’effet de serre ?

Si nous ne nous occupons pas de la raison pour laquelle les gaz à effet de serre sont dans l’atmosphère, celui qui engendre le plus d’effet de serre est… la vapeur d’eau.
Mais si l’on se limite à l’effet de serre d’origine humaine, que l’on appelle parfois effet de serre « additionnel » (parce qu’il se rajoute à celui d’origine naturelle), ou anthropique, la répartition par gaz est totalement différente :

- Les émissions directes de vapeur d’eau des hommes (provenant des centrales électriques, de l’irrigation, des barrages, de la déforestation…) ne contribuent pas à augmenter l’effet de serre de manière décelable, et ne sont donc pas prises en compte dans les émissions humaines.
En effet, sur une planète couverte aux 2/3 d’eau (les océans), et compte tenu du fait que l’eau ne s’accumule pas dans l’atmosphère - où son temps de résidence est de l’ordre d’une semaine seulement -, les émissions d’origine humaine sont totalement marginales dans le cycle global de l’eau (à titre indicatif, les émissions annuelles de vapeur d’eau de l’humanité provenant de la combustion des hydrocarbures représentent moins de 1% de l’évaporation naturelle survenant en une seule journée). L’action de l’homme peut très significativement perturber le cycle local de l’eau (la Mer d’Aral ou le barrage d’Assouan en offrent de bons exemples), mais cela n’a pas de répercussions significatives au niveau de la teneur moyenne en vapeur d’eau de l’ensemble de l’atmosphère.
Ce qui précède explique pourquoi il n’est pas tenu compte de la vapeur d’eau, excepté dans quelques cas bien particuliers tels l’aviation, lorsque l’on calcule les émissions de gaz à effet de serre liées à l’activité humaine.

- Le gaz carbonique d’origine humaine est responsable d’un peu plus de 55% de l’effet de serre additionel dû à l’homme. Ce gaz comporte bien sûr des émissions naturelles (la respiration des animaux, une partie de la putréfaction, les incendies naturels, ou encore le réchauffement de l’océan de surface) très importantes, mais elles sont compensées par des « puits » tout aussi importants (le refroidissement d’autres portions de l’eau océanique de surface, et la photosynthèse). Le gaz carbonique venant des activités humaines (on parle d’émissions anthropiques, c’est à dire provoquées par l’homme) provient :
* pour l’essentiel de la combustion des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz),
* pour partie de certaines industries (par exemple pour la production de ciment),
* enfin pour une part non négligeable de la déforestation, notamment en zone tropicale.

- Le méthane engendre un peu plus de 15% de l’effet de serre anthropique. Le méthane est un gaz qui se forme dès qu’un composé organique (un reste d’animal ou de plante) se décompose à l’abri de l’oxygène de l’air (par fermentation ou putréfaction), par exemple au fond de l’eau ou sous terre. Les réserves de gaz naturel ne se sont pas formées autrement que par la décomposition, il y a très longtemps, de plantes et d’animaux, qui se sont d’abord transformés en hydrocarbures liquides, puis en gaz. Une partie du méthane présent dans l’atmosphère est donc d’origine parfaitement naturelle, provenant notamment des zones humides (marécages, marais, etc.) et… des termites !
Mais l’homme y rajoute sa part. Le méthane d’origine humaine provient :
*  pour une part de la combustion de matière organique, notamment des brûlis en zone tropicale (la combustion du bois est toujours une combustion imparfaite, qui libère dans l’atmosphère des composés mal ou pas brûlés, dont du méthane),
* de l’élevage des ruminants (vaches, moutons, chèvres, yaks…), car les aliments qu’ils ingèrent fermentent dans leur estomac, en dégageant du méthane (à titre informatif il y a environ 20 millions de bovins en France : le poids des vaches est supérieur au poids des hommes !),
* de la culture du riz, car les zones humides en général émettent du méthane (ce gaz se forme dès que des composés organiques se décomposent – « pourrissent » - à l’abri de l’oxygène de l’air, comme par exemple au fond des marécages, ou encore dans les sédiments océaniques),
* des décharges d’ordures ménagères (encore la dégradation à l’abri de l’oxygène de l’air),
* des exploitations pétrolières et gazières, à cause des fuites de gaz (le méthane est le principal constituant du gaz naturel), et des mines de charbon (le méthane est le principal constituant du grisou).

- Les halocarbures engendrent un peu plus de 10% de l’effet de serre anthropique (ces gaz n’ont pas d’émissions naturelles). Les premiers représentants de cette famille sont connus de tous : il s’agissait des CFC, désormais remplacés par d’autres gaz voisins, mais qui ne détruisent pas l’ozone stratosphérique. Ces gaz sont utilisés :
* comme gaz réfrigérants (dans les systèmes de climatisation et les chaînes du froid) ; les émissions de ce poste proviennent essentiellement des fuites et mise à la décharge des systèmes de climatisation,
* comme gaz propulseurs dans des bombes aerosols ; les fameux CFC constituent une sous-famille devenue célèbre des halocarbures. Le Protocole de Montreal a décidé leur éradication progressive car, en plus d’être de puissants gaz à effet de serre, ils sont aussi responsables de la diminution de l’ozone en haute altitude,
* dans certains procédés industriels (fabrication de mousses plastiques, mais aussi de composants d’ordinateurs ou de téléphones portables).

- Le protoxyde d’azote engendre environ 5% de l’effet de serre anthropique. Pour ce gaz il y a aussi des émissions naturelles, qui proviennent essentiellement des zones humides. La part « humaine » provient de l’utilisation des engrais azotés en agriculture, et de certains procédés chimiques.

- L’ozone troposphérique (la troposphère est la couche la plus basse de l’atmosphère, celle qui « touche » le sol, et va jusqu’à la stratosphère, à environ 10 km du sol) engendre enfin environ 10% de l’effet de serre anthropique. L’ozone est une variante de l’oxygène qui est naturellement présent dans l’atmosphère. Selon l’endroit où il se trouve il nous intéresse beaucoup ou il nous est nuisible :
* dans la haute atmosphère, où l’on parle d’ozone stratosphérique (la stratosphère est la couche de l’atmosphère située entre 10 et 50 km d’altitude), il arrête les ultraviolets du soleil qui ont tendance à « casser » les liaisons chimiques indispensables à la vie ; il nous y est donc très utile (sans cette couche d’ozone stratosphérique la vie évoluée n’existerait probablement pas en dehors des océans),
* dans nos villes, bien qu’il continue aussi à arrêter les ultraviolets les plus agressifs qui viennent du soleil (mais près du sol il n’en reste plus beaucoup à arrêter, heureusement), il montre aussi une autre de ses facettes comme oxydant très agressif que nos poumons n’aiment pas beaucoup respirer. L’ozone troposphérique est l’un des composants de la pollution locale, et provient indirectement de la combustion d’hydrocarbures.

Depuis le début de l’ère industrielle, c’est à dire depuis l’année 1750 environ, ce que nous avons mis dans l’atmosphère a pour effet d’introduire un « forçage radiatif » de l’ordre de 1% du rayonnement reçu.
Dit autrement, à travers ses émissions de gaz à effet de serre, l’homme a modifié la situation « comme si » le soleil avait augmenté sa puissance d’environ 1%. Cela peut paraître peu. Pourtant, compte tenu des énergies considérables qui sont en jeu, de la fragilité de certains équilibres naturels, et du fait que ces effets agissent sur de longues périodes, c’est très significatif pour notre avenir.

Combien de temps restent-ils dans l’atmosphère ?

Les gaz à effet de serre, une fois dans l’atmosphère, n’y restent pas éternellement, mais, « leur disparition » peut prendre un certain temps. L’épuration des gaz à effet de serre de l’atmosphère peut survenir :

- par un phénomène physique. Par exemple la pluie, phénomène physique (condensation), enlève de la vapeur d’eau de l’atmosphère.
- par une réaction chimique intervenant au sein de l’atmosphère. C’est le cas pour le méthane, qui s’élimine par réaction avec des radicaux OH naturellement présents dans l’atmosphère, pour donner du CO2.
- par une réaction chimique, photochimique ou physique intervenant à la frontière entre l’atmosphère et les autres compartiments de la planète. C’est par exemple le cas pour le CO2, qui est réduit par la photosynthèse des plantes (réaction photochimique), ou qui est dissout dans l’océan (réaction physique) pour finir par y donner des ions bicarbonate et carbonate (par contre le CO2 est chimiquement stable dans l’atmosphère, et il n’y a pas de réaction purement chimique prenant place au sein de l’atmosphère qui « élimine » ce gaz),
- soit par suite d’un phénomène radiatif. Par exemple les rayonnements électromagnétiques « durs » émis par le soleil - ainsi que les rayons cosmiques, qui sont de même nature que les rayons émis par une source radioactive – « cassent » des molécules dans la haute atmosphère. Une partie des halocarbures disparait de cette façon ; certains halocarbures sont cependant encore suffisamment réactifs pour disparaître comme le méthane, par réaction chimique avec d’autres composés de l’atmosphère.

Mais la très mauvaise surprise, c’est que mise à part la vapeur d’eau, qui s’évacue en quelques jours, les gaz à effet de serre mettent très longtemps à s’en aller de l’atmosphère. Il n’est pas aisé de définir avec précision le temps nécessaire pour évacuer ce que nous émettons aujourd’hui car l’atmosphère a un fonctionnement complexe dont les scientifiques n’ont pas encore percé tous les mystères. En outre l’augmentation de la concentration dont nous sommes à l’origine va trop vite pour qu’il soit facile de s’inspirer de ce qui s’est passé aux époques anciennes sur la vitesse d’élimination du surplus.

Cela va prendre longtemps ! De l’ordre du siècle avant que le CO2 ne commence à être évacué de l’atmosphère, 10 ans pour le méthane… certains halocarbures n’ont toujours pas commencé à s’épurer significativement de l’atmosphère au bout de 1000 ans.
L’essentiel des gaz que nous émettons aujourd’hui, y compris le gaz carbonique que nous avons par exemple émis ce matin en venant travailler en voiture, ou hier en faisant fonctionner une chaudière de logement ou un four à verre, sera encore au-dessus de la tête de nos (arrière-arrière) petits-enfants dans 1 ou 2 siècles. Et bien sûr, pendant tout le temps que ces gaz restent au-dessus de nos têtes, ils contribuent à un effet de serre supplémentaire.

Cette simple caractéristique explique pourquoi le changement climatique est un processus fondamentalement irréversible, qu’il sera complètement impossible d’inverser à bref délai le jour où l’expérience nous importunera pour de bon. Nous devons à la fois diminuer l’effet de serre pour les prochains siècles, et nous adapter au réchauffement pour le siècle actuel.

À travers notre prochain dossier nous essaierons de comprendre comment il est possible de calculer, pour chacun des gaz à effet de serre, un « pouvoir de réchauffement global » (en abrégé PRG, et en abrégé en anglais GWP, pour Global Warming Potential), qui permet de savoir de combien on augmente l’effet de serre lorsque l’on émet un kg du gaz considéré. Information déterminante pour évaluer ensuite « l’impact écologique » des activités des collectivités, entreprises ou particuliers.