Gaz à effet de serre

Figure 1. Le dioxyde de carbone est capable d'interagir avec le rayonnement infrarouge, ce qui entraîne un déséquilibre du rayonnement entrant et sortant de l'atmosphère. [math]\ce{ CO2 }[/math] n'est pas le gaz à effet de serre le plus puissant, mais c'est la raison principale du réchauffement de la planète.

Les gaz à effet de serre ou GES désignent les gaz qui piègent le rayonnement infrarouge lorsqu'ils sont présents dans l'atmosphère. L'augmentation de la quantité de [math]\ce{ CO2 }[/math] et d'autres GES provenant des activités humaines, comme la consommation de combustibles fossiles, contribue au changement climatique. Les gaz à effet de serre laissent passer la lumière visible mais absorbent et réémettent le rayonnement infrarouge. Ceci est illustré à la figure 1. D'autres planètes ont également des GES.

Contribution approximative des gaz à effet de serre :

• 36-72 % de vapeur d'eau
• 9-26 % de dioxyde de carbone
• 7-16 % d'autres gaz à l'état de traces

Il est important de noter que la vapeur d'eau est le plus grand contributeur à l'effet de serre, mais [math]\ce{ CO2 }[/math] est celui qui augmente.

Potentiel de réchauffement planétaire

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Le potentiel de réchauffement planétaire (PRP) d'un gaz est la capacité relative d'un gaz à retenir la chaleur dans l'atmosphère. Cette mesure est effectuée par rapport à une masse égale de dioxyde de carbone. De nombreuses restrictions et réglementations imposées aux substances sont dues à des valeurs élevées de PRP, comme le prévoit le Protocole de Kyoto.

Vapeur d'eau

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La vapeur d'eau n'est que de l'eau (H₂O) sous sa forme gazeuse. La vapeur est abondante dans l'atmosphère et constitue le plus commun des GES. La vapeur d'eau est le plus puissant des gaz à effet de serre en raison des liaisons hydroxyles de sa structure chimique. La vapeur d'eau existe dans l'atmosphère sous forme d'humidité et de nuages et fait partie du cycle de l'eau sous forme de précipitation, créant ainsi la pluie. La valeur du PRG pour la vapeur d'eau n'a pas encore été calculée.

L'attribut le plus intéressant de l'eau en tant que gaz à effet de serre est qu'elle sert comme rétroaction positive au réchauffement planétaire. Plus le monde se réchauffe, plus il y a de vapeur d'eau dans l'air, ce qui accentue le réchauffement. La vapeur d'eau n'est pas à l'origine du changement climatique, mais elle amplifie ses effets puisque plus de CO₂ signifie plus de vapeur d'eau dans l'atmosphère.

Dioxyde de carbone

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Le dioxyde de carbone (CO₂) est un gaz naturel, important dans le cycle du carbone pour la vie et un sous-produit de nombreuses formes de production d'énergie. Le dioxyde de carbone est principalement régulé par les plantes qui utilisent la photosynthèse pour produire de l'énergie et par les animaux qui respirent afin de consommer de l'énergie. La combustion est une autre source importante de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Les incendies de forêt et la production d'énergie produisent tous les deux une quantité importante de dioxyde de carbone lors de la consommation de matières organiques. En raison de sa nature de valeur de référence pour le potentiel de réchauffement global, le dioxyde de carbone a une valeur PRP de 1.

Méthane

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Le méthane (CH₄) est un gaz naturel qui constitue 90 % du gaz naturel. Bien qu'il ne soit pas aussi concentré dans l'atmosphère que le dioxyde de carbone, le méthane a un PRP 29 fois plus élevé, ce qui en fait un gaz à effet de serre très puissant. Les niveaux de méthane ont augmenté notablement ces dernières années - une élévation 2.5 fois à celle de l'ère préindustrielle. Le méthane est régulé par des processus naturels dans l'atmosphère impliquant la vapeur d'eau et l'oxygène. L'influence humaine est toutefois capable de perturber cette régulation.

Il y a environ 3.5 milliards d'années, avant l'apparition de la photosynthèse des plantes, les concentrations de méthane étaient 1000 fois plus élevées qu'aujourd'hui. L'introduction de la consommation d'oxygène dans le cycle du carbone, grâce à la photosynthèse, a entraîné une réduction significative du méthane. À l'époque, cela était produit grâce à la consommation d'hydrogène et de dioxyde de carbone par certaines des premières bactéries. Le méthane est créé naturellement dans les profondeurs du sol. Il résulte de la compression de matières organiques végétales et animales à des températures élevées pendant des milliers d'annéee. Il est donc considéré comme un combustible fossile.

Protoxyde d'azote

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Le protoxyde d'azote (N₂O), communément appelé « gaz hilarant » en raison de son utilisation comme anesthésiant en chirurgie, est un gaz naturel souvent utilisé en fusée et en course comme oxydant pour améliorer la puissance. Bien qu'il existe en concentrations beaucoup plus faibles que le dioxyde de carbone et le méthane, le protoxyde d'azote a un PRG 298 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone. Même s'il contribue de manière significative à l'effet de serre, le protoxyde d'azote est également le principal régulateur de l'ozone dans la stratosphère. Le protoxyde d'azote réagit avec l'oxygène pour produire un oxyde nitrique, qui réagit à son tour avec l'ozone en maintenant l'équilibre des concentrations. Il est également utilisé comme gaz propulseur d'aérosol pour les bidons remplis de substances comme la crème fouettée. En outre, il est utilisé comme gaz inerte pour remplir les sacs de croustilles et d'autres aliments afin de les protéger de la compression pendant le transport. Le protoxyde d'azote est produit naturellement dans l'environnement, dans le sol, par diverses réactions chimiques organiques.

Ozone

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L'ozone (O₃) est un allotrope (forme alternative) de l'oxygène présent dans les strates supérieures de l'atmosphère. Il est beaucoup plus instable que l'oxygène diatomique que l'on trouve couramment au niveau de la mer. Il est produit principalement par l'absorption des rayons ultraviolets du Soleil et se décompose dans la basse atmosphère en raison de son instabilité. Cette absorption des rayons UV est en soi précieuse car elle protège la surface des rayons nocifs. Une autre source courante d'ozone est la décharge électrique dans l'atmosphère due à la foudre. Bien que le PRP de l'ozone se situe entre 918 et 1022 (l'une des valeurs les plus élevées enregistrées), il s'agit d'une espèce chimique à courte durée de vie en raison de son instabilité. Par conséquent, lorsqu'il est considéré sur un horizon de 20 ans, son PRP n'est évalué qu'à 62-69. Les concentrations d'ozone mesurables au niveau du sol atteignent des pics nettement plus élevés aujourd'hui qu'à l'époque préindustrielle, même dans les zones totalement exemptes d'activité industrielle. L'exposition à long terme à l'ozone troposphérique s'est avérée dangereuse, nuisant à la fonction pulmonaire et menant à des décès prématurés dus à diverses maladies respiratoires et à des crises cardiaques.

CFC

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Le chlorofluorocarbure (CFC) est un composé organique contenant du carbone, du fluor et du chlore (produit comme un dérivé volatil des combustibles fossiles comme le méthane). Les CFCs ont été utilisés comme réfrigérants, propulseurs et solvants dans la production. Cependant, ces dernières années, la production de CFCs a été progressivement abandonnée grâce au Protocole de Montréal. La production de CFC a été réduite et remplacée par des hydrocarbures et du dioxyde de carbone en raison de sa contribution à l'appauvrissement de la couche d'ozone et de son effet en tant que gaz à effet de serre.

Vidéo

La vidéo (en anglais) ci-dessous est une conférence du professeur David Archer, du Département des sciences géophysiques de l'Université de Chicago, où il parle des ouragans et des effets du changement climatique sur les ouragans :

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