Pourquoi le dioxyde de carbone a une telle influence sur le climat de la Terre

Le satellite Orbiting Carbon Observatory effectue des mesures précises des niveaux de dioxyde de carbone de la Terre depuis l'espace. Image via NASA / JPL

Par Jason West, Université de Caroline du Nord à Chapel Hill

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 de la Terre. 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 réside dans sa capacité à absorber la chaleur émise par la surface de notre planète, l'empêchant de s'échapper dans l'espace.

La «courbe de Keeling», nommée d'après le scientifique Charles David Keeling, suit l'accumulation de dioxyde de carbone dans l'atmosphère terrestre, mesurée en parties par million. Image via Scripps Institution of Oceanography.

Science de serre précoce

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. En travaillant séparément, John Tyndall en Angleterre et Eunice Foote aux États-Unis ont découvert que le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau et le méthane absorbaient tous la chaleur, contrairement aux gaz plus abondants.

Les scientifiques avaient déjà calculé que la Terre avait une température d'environ 33 ° C (59 ° F) supérieure à la normale, étant donné la quantité de lumière solaire atteignant sa surface. La meilleure explication de cette différence 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 pratiquement aucune influence sur la température de la Terre, car ils n'absorbaient pas de chaleur. Au contraire, ils ont constaté que les gaz présents dans des concentrations beaucoup plus faibles étaient entièrement responsables du maintien des températures rendant la Terre habitable, en piégeant la chaleur pour créer un effet de serre naturel.

Une couverture dans l'atmosphère

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

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

Le spectre électromagnétique est la gamme de tous les types de rayonnement EM, c'est-à-dire l'énergie qui se propage et se propage au fur et à mesure. Le soleil étant beaucoup plus chaud que la Terre, il émet des radiations à un niveau d'énergie plus élevé, avec une longueur d'onde plus courte. Image via la NASA.

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 différentes manières, comme le son d'une corde à piano. Lorsque l'énergie d'un photon correspond à la fréquence de la molécule, celui-ci est absorbé et son énergie est transférée à la molécule.

Le dioxyde de carbone et les autres gaz piégeant la chaleur ont au moins trois atomes et des fréquences correspondant au rayonnement infrarouge émis par la Terre. L'oxygène et l'azote, avec seulement deux atomes dans leurs molécules, n'absorbent pas le rayonnement infrarouge.

La plupart des rayons du soleil qui arrivent des ondes courtes traversent l’atmosphère sans être absorbés. Mais la plupart des rayons infrarouges sortants sont absorbés par les gaz qui retiennent la chaleur dans l’atmosphère. Ensuite, ils peuvent libérer ou réémettre cette chaleur. Certains retournent à la surface de la Terre, la maintenant plus chaude qu’elle ne le serait autrement.

La Terre reçoit l’énergie solaire du soleil (jaune) et renvoie l’énergie dans l’espace en réfléchissant une lumière entrante et en émettant de la chaleur (en rouge). Les gaz à effet de serre retiennent une partie de cette chaleur et la restituent à la surface de la planète. Image via NASA / Wikimedia.

Recherche sur la transmission de chaleur

Pendant la guerre froide, l'absorption du rayonnement infrarouge par de nombreux gaz différents a été étudiée de manière approfondie. Le travail a été dirigé par l'US Air Force, qui développait des missiles à recherche de chaleur et devait comprendre comment détecter la chaleur qui passe dans 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 est à environ 470 C (870 F) car son atmosphère épaisse est composée à 96, 5% de dioxyde de carbone.

Il a également éclairé 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 rayons infrarouges et que les deux gaz absorbent à plusieurs longueurs d'onde identiques. 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 de manière significative 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 trop de vapeur d'eau dans l'atmosphère au-dessus des déserts, les radiations qu'ils émettent s'échappent 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 même, les nuits nuageuses ont tendance à être plus chaudes que les nuits claires car il y a plus de vapeur d'eau.

L'influence du dioxyde de carbone peut être constatée dans les changements climatiques passés. Les carottes de glace de ces derniers millions d'années ont montré que les concentrations de dioxyde de carbone étaient élevées pendant les périodes chaudes - environ 0, 028%. Pendant les périodes glaciaires, lorsque la Terre était environ 4 à 7 ° C plus froide qu'au 20ème siècle, le dioxyde de carbone ne représentait qu'environ 0, 018% de l'atmosphère.

Même si la vapeur d’eau joue un rôle plus important dans l’effet de serre naturel, les variations du dioxyde de carbone ont entraîné les variations de température passées. En revanche, les niveaux de vapeur d'eau dans l'atmosphère réagissent à la température. À mesure que la Terre se réchauffe, son atmosphère peut contenir davantage de vapeur d'eau, ce qui amplifie le réchauffement initial dans un processus appelé «rétroaction de la vapeur d'eau». Les variations du dioxyde de carbone ont donc eu une influence déterminante sur les changements climatiques passés.

Petit changement, gros 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 que jamais auparavant. Les scientifiques s'accordent à dire que la température moyenne à la surface de la Terre a déjà augmenté d'environ 1 F (2 F) depuis les années 1880 et que les augmentations de dioxyde de carbone et d'autres gaz piégeant la chaleur causés par l'homme en sont extrêmement responsables.

Sans action pour contrôler les émissions, le dioxyde de carbone pourrait atteindre 0, 1% de l'atmosphère d'ici 2100, soit 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 ont eu des conséquences énormes. Sans action, ce petit éclat d'atmosphère causera de gros problèmes.

Jason West, professeur de sciences et d'ingénierie de l'environnement à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill

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

Conclusion: un scientifique de l'environnement explique pourquoi le dioxyde de carbone - le CO2 - a un si grand effet sur l'atmosphère de la Terre et sur l'effet de serre.