Le CO₂, après avoir connu une période de grande stabilité depuis l'an 1000 d'environ 280 ppm, a augmenté rapidement de 1800 à 2000 pour atteindre 360 ppm. De même pour le méthane (CH₄) et le N₂O qui sont passés respectivement de 750 ppb à 1600 ppb et de 270 ppb à 310 ppb. Une évolution intéressante est toutefois observée pour le SO₂ dont la concentration, (présentée sur la même figure que les principaux gaz à effet de serre), après une croissance rapide, en Europe et aux Etats-Unis, de 1800 à 1980, est passée par un maximum et a amorcé une décroissance... preuve que les mesures prises en la matière peuvent avoir une certaine efficacité.

Compilation des concentrations dans l’atmosphère au niveau de la surface des principaux gaz à effet de serre depuis l’an 1000 et des aérosols soufrés depuis l’an 1400 établie par le GIEC.

Pour ce qui est du gaz carbonique, l'équilibre observé depuis l'an 1000 résultait de flux équilibrés des surfaces (océans, continents) vers l'atmosphère et de l'atmosphère vers les surfaces (photosynthèse, absorption par les océans) de l'ordre de 190 milliards de tonnes de carbone par an (soit 3,7 fois plus en terme de masse de gaz carbonique). Cette situation est indiquée en bleue dans la figure ci-dessous empruntée à Jean-Pascal Van Ypersele, Vice-président du GIEC. La perturbation (indiquée en orange) apportée par l'activité humaine est aujourd'hui de 8 milliards de tonnes par an. Ce "faible" pourcentage est cependant à l'origine d'un problème majeur dans la mesure où seule la moitié de cet excès est réabsorbée par les surfaces, l'autre moitié s'ajoutant au stock atmosphérique...d'où une rupture d'équilibre d'autant plus inquiétante que les constantes de temps mises en jeu se comptent en dizaines d'années.

Au-delà des constats relatifs à l’augmentation des gaz à effets de serre depuis le début de l’ère industrielle, nombre d’observations de paramètres atmosphériques, océaniques et glaciaires permettent d’identifier des évolutions « rapides » à l’échelle des temps géologiques. Les deux exemples donnés par les figures ci-dessous sont parmi les plus emblématiques : l’élévation de la température moyenne de surface de l’atmosphère et celle du niveau moyen de l’océan depuis le 19ème siècle.

Document du GIEC donnant le niveau moyen « reconstitué » des océans depuis 1870, auquel se superpose celui obtenu par un réseau de marégraphes à partir de 1950 et celui obtenu grâce à l’altimétrie satellitaire à partir de 1993

L’effet de serre ?

Il est certain que l'effet de serre qui existe naturellement dans l'atmosphère est dû principalement à la vapeur d'eau, mais aussi au CO₂ et aux autres gaz à longue durée de vie absorbant le rayonnement infrarouge. C'est lui qui permet d'avoir une température à la surface de la Terre de 15 °C, à comparer aux -18 °C qui résulteraient d'une atmosphère sèche composée uniquement d'azote et d'oxygène moléculaires. Il s'agit en fait d'un problème cumulatif des différents gaz à effet de serre. En effet, contrairement à une idée fausse qui circule parfois au sujet "d'une saturation" de l'effet de serre se produisant à partir du moment où l'atmosphère deviendrait opaque dans tout le domaine infrarouge, l'accumulation de gaz à effet de serre accroît continûment la température à la surface d’une planète... c'est d'ailleurs un effet bien connu dans le cas de Vénus dont la température à la surface du sol est de l'ordre de 450 °C.

Comment fonctionne l’effet de serre ?

Une façon simple, mais pas simpliste, de représenter l’effet de serre est de ramener toute l’atmosphère à une colonne verticale (autrement dit de « moyenner » horizontalement toute l’atmosphère). C’est cette approche qui est illustrée par la figure qui suit empruntée à Jean-Louis Dufresne de l’Institut Pierre Simon Laplace. Le schéma en haut à gauche indique que « sans effet » de serre et compte tenu de la très faible capacité thermique de l’atmosphère par rapport à l’intensité du flux solaire, un équilibre s’établit entre le flux incident solaire (visible) et le flux ré-émis par la surface (infrarouge) dont la température s’ajuste à la valeur T₁. On a donc pour un flux solaire incident choisi choisi arbitrairement égal à 1, un flux infrarouge rayonné par la surface de la Terre également égal à 1.

Si l’on introduit dans l’atmosphère des gaz à effet de serre de manière à ce que l’atmosphère soit opaque au rayonnement infrarouge, on peut alors représenter cette situation par les figures du milieu où une vitre simule la présence des gaz à effet de serre (transparente au rayonnement solaire, opaque au rayonnement infrarouge). Un nouvel équilibre s’établit lorsque simultanément la température à la surface atteint la valeur T₂, alors que la vitre, chauffée par l’absorption du rayonnement infrarouge, rayonne vers l’espace un flux infrarouge équilibrant le flux solaire incident. La température d’équilibre de la vitre est alors T₁. La vitre rayonne vers l’espace un flux infrarouge de 1, mais également un flux infrarouge identique vers la surface qui s’ajoute au flux solaire, la température d’équilibre T₂ de la surface est atteinte lorsque la surface rayonne cette fois-ci un flux infrarouge égal à 2 fois le flux solaire incident. Si maintenant on ajoute une nouvelle couche opaque de gaz à effet de serre, représentée par une nouvelle vitre, le raisonnement précédent conduit à un flux incident à la surface de 3 (1 pour le flux solaire, 2 pour le flux infrarouge) et une température T₃. Le raisonnement peut être poursuivi et conduit à ajouter une unité de flux pour chaque nouvelle couche. Sachant que le flux infrarouge émis par la surface est proportionnel à la puissance quatrième de la température (T₄), on voit que cela conduit à une augmentation continue de la température au fur et à mesure de l’augmentation du flux infrarouge émis par la surface.

La principale conclusion de cette modélisation simple de l’effet de serre est que l’augmentation de la concentration des gaz à effet de serre tend à augmenter la température de surface.

Il est par ailleurs intéressant de noter la rétroaction positive du gaz carbonique sur la vapeur d'eau. En effet l'accroissement de température à la surface de la Terre, induit par l'augmentation de la concentration en gaz carbonique, entraîne une augmentation de la pression de vapeur saturante. Il en résulte une augmentation de la vapeur d'eau atmosphérique qui en terme d'effet de serre double celui du gaz carbonique.

Il est vrai aussi que, compte tenu de la complexité de l’atmosphère et notamment de la présence de nuages susceptibles d’amoindrir le flux solaire incident à la surface, il existe des possibilités de rétroactions négatives. Quant à imaginer qu’elles soient d’une ampleur telle qu’elles puissent annihiler l’effet de l’augmentation des gaz à effet de serre…comme certains le font… Ceci n’est en aucun cas conforté par les modèles qui comme le montre la figure suivante, reproduisent pour l’essentiel les variations de température observées depuis le début du 20ème siècle.