Quels gaz de l’atmosphère ont un effet sur la température de la Terre ?

La réponse de

Auteur Cathy Clerbaux

Cathy Clerbaux

Cathy Clerbaux est directrice de recherche CNRS au Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (LATMOS). Elle est spécialiste du sondage atmosphérique par satellite dans l’infrarouge.  Elle consacre une grande partie de son travail à la mission IASI qui vole sur le satellite MetOp.

Pour en savoir plus : un portrait de Cathy Clerbaux sur le site web de l'IPSL.

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L’atmosphère est constituée à 99 % d’oxygène (O2) et d’azote (N2). Ces gaz sont stables, de concentration constante et ils sont transparents au rayonnement infrarouge thermique émis par la Terre (entre 4 et 50 microns). En effet, la capacité d'absorption d'un gaz est directement liée aux propriétés spectroscopiques des molécules qui le composent et à leur structure, et en particulier dans l'infrarouge à leur capacité à «vibrer». Les molécules diatomiques comme l'oxygène et l'azote n'ayant pas cette capacité de vibration, elles n'absorbent donc pas le rayonnement infrarouge. Par conséquent, 99,9 % des gaz qui composent l’atmosphère n’ont pas d’impact sur la température de la Terre.

Le 0,1 % restant de l’atmosphère est composé d’une série de gaz dont les concentrations varient et qui, en revanche, peuvent absorber la radiation infrarouge thermique. Ces gaz, qui ont un rôle déterminant, sont connus comme les « gaz à effet de serre ». Les molécules triatomiques qui ont une structure linéaire (comme le gaz carbonique CO2 et le protoxyde d'azote NO2), tétraédrique (comme le méthane CH4) ou sans symétrie (comme la vapeur d'eau H20, l'ozone O3 ou les chlorofluorocarbures CFCs) possèdent des bandes d'absorption dans le domaine infrarouge. Ces gaz à effet de serre piègent une partie de la radiation infrarouge qui s’échappe de la Terre vers l’espace, tandis que la « fenêtre atmosphérique », comprise entre 8 et ~14 microns, laisse s’échapper une quantité importante de radiation. On notera que l’atmosphère est relativement transparente dans la région du visible.

<p>En haut : en orange, spectre d’émission du Soleil (courbe = corps noir à 5525 K) et fraction de son rayonnement qui atteint la surface terrestre après traversée de l’atmosphère ; en rose, spectre d’émission à 288 K (température moyenne de la surface terrestre) et fraction du rayonnement terrestre qui ressort dans l’espace. Noter la « fenêtre atmosphérique » autour de 10 µm.</p>

<p>En bas : absorption du rayonnement (solaire et terrestre) par les principaux gaz naturellement présents dans l’atmosphère. Quand l’absorption atteint 100 %, toute la radiation est absorbée en traversant l’atmosphère.    </p>




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Ce phénomène d’effet de serre réchauffe la surface de la Terre en permanence et il a permis l’émergence de la vie sur la planète. Sans l'effet de serre naturel, la température moyenne à la surface serait de -18 °C. Or elle est actuellement de +15 °C.

Certains gaz à effet de serre, en particulier le dioxyde de carbone, le méthane, l'ozone et les CFCs, sont directement émis par les activités humaines et viennent s'ajouter aux concentrations naturelles liées à l'activité géologique et aux cycles biogéochimiques. Les concentrations atmosphériques de ces gaz ont beaucoup augmenté depuis la révolution industrielle, en particulier pour les CFCs depuis la fin des années 1970. Ce phénomène contribue à amplifier artificiellement l’effet de serre et il limite le rayonnement infrarouge qui s’échappe vers l’espace.

Les gaz à effet de serre représentent une petite proportion de l’atmosphère mais leur rôle est déterminant. Ils contrôlent la température de la surface de la Terre et des basses couches de l’atmosphère à cause de leur capacité à absorber la radiation infrarouge.

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