gaz à effet de serre
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Un gaz à effet de serre (GES parfois abrégé) est un gaz dans une atmosphère qui absorbe et émet un rayonnement à l'intérieur de la domaine de l'infrarouge thermique. Ce processus est la cause fondamentale de l' effet de serre . Les effet primaire des gaz dans l' atmosphère terrestre sont la vapeur d'eau , dioxyde de carbone , méthane , l'oxyde nitreux et l'ozone . Dans le système solaire , les atmosphères de Vénus, Mars, et Titan contient aussi des gaz qui causent l'effet de serre. gaz à effet de serre affectent grandement la température de la Terre ; sans eux, la surface de la Terre serait en moyenne d'environ 33 ° C plus froid que la moyenne actuelle de 14 ° C (57 ° F).
Depuis le début de la révolution industrielle , la combustion de combustibles fossiles a contribué à une augmentation de 40% de la concentration de dioxyde de carbone dans l'atmosphère de 280 ppm à 397 ppm, en dépit de l'absorption d'une grande partie des émissions de divers "puits" naturels impliqués dans la cycle du carbone. Dioxyde de carbone anthropique (CO 2) (ie, les émissions produites par les activités humaines) proviennent de de combustion combustibles à base de carbone, principalement le bois , le charbon , l'huile et le gaz naturel .
Gaz dans l'atmosphère de la Terre
gaz à effet de serre
gaz à effet de serre sont ceux qui peuvent absorber et émettre un rayonnement infrarouge, mais pas le rayonnement dans ou près du spectre visible. Dans l'ordre, l'effet de serre les plus abondants dans l'atmosphère terrestre sont:
- la vapeur d'eau (H 2 O)
- dioxyde de carbone (CO 2)
- le méthane (CH 4)
- l'oxyde nitreux (N 2 O)
- l'ozone (O 3)
Les concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre sont déterminées par l'équilibre entre les sources (émissions de gaz provenant des activités humaines et des systèmes naturels) et les puits (l'enlèvement du gaz de l'atmosphère par conversion en un composé chimique différente). La proportion restante d'une émission dans l'atmosphère après un temps spécifié est " Fraction Airborne "(AF). Plus précisément, l'AF est le rapport annuel de l'augmentation atmosphérique dans une année donnée aux émissions totales de cette année. Pour l'AF CO 2 au cours des 50 dernières années (1956-2006) a augmenté à 0,25 ± 0,21% / an.
Non-effet de serre
Bien que contribuant à de nombreuses autres réactions physiques et chimiques, les principaux constituants de l'atmosphère, l'azote (N 2), l'oxygène (O 2), et de l'argon (Ar), ne sont pas l'effet de serre. C'est parce que des molécules contenant deux atomes d'un même élément tel que le N 2 et O 2 et molécules monoatomiques tels que l'argon (Ar) ont aucun changement net dans leur moment de dipôle quand ils vibrent et sont donc presque totalement affecté par rayonnement infrarouge. Bien que les molécules contenant deux atomes de différents éléments tels que le monoxyde de carbone (CO) ou chlorure d'hydrogène (HCl) absorbe IR, ces molécules sont de courte durée dans l'atmosphère en raison de leur réactivité et la solubilité. Parce qu'ils ne contribuent pas de manière significative à l'effet de serre, ils sont généralement omis lors de l'examen à effet de serre.
Effets radiatifs indirects
Certains gaz ont des effets radiatifs indirects (si oui ou non ils sont eux-mêmes un gaz à effet de serre). Cela se produit de deux manières principales. Une façon est que quand ils se décomposent dans l'atmosphère qu'ils produisent un autre gaz à effet de serre. Par exemple le méthane et le monoxyde de carbone (CO) sont oxydés pour donner du dioxyde de carbone (et l'oxydation du méthane produit également de la vapeur d'eau, qui seront considérés ci-dessous). Oxydation du CO en CO 2 produit directement clairement une augmentation du forçage radiatif bien que la raison est subtile. Le pic de l'émission infrarouge thermique de la surface de la Terre est très proche d'une forte bande d'absorption vibrationnelle de CO 2 (667 cm -1). D'autre part, la bande de vibration unique de CO ne absorbe IR des fréquences beaucoup plus élevées (2145 cm -1), où l'émission thermique ~ 300K de la surface est au moins un facteur de dix plus faible. D'autre part, l'oxydation du méthane en CO 2 qui nécessite des réactions avec le radical OH, produit une réduction immédiate, puisque le CO 2 est un gaz à effet de serre plus faible que le méthane; mais il a une durée de vie plus longue. Comme décrit ci-dessous ce ne est pas toute l'histoire, depuis les oxydations de CO et de CH 4 sont étroitement liés par les deux radicaux OH consommateurs. Dans tous les cas, le calcul de l'effet radiatif total doit inclure à la fois la force directe et indirecte.
Un deuxième type d'effets indirects qui se passe quand des réactions chimiques dans l'atmosphère impliquant ces gaz changent les concentrations de gaz à effet de serre. Par exemple, la destruction de composés de méthane non organiques volatils (COVNM) dans l'atmosphère peuvent produire de l'ozone. La taille de l'effet indirect peut dépendre fortement de où et quand le gaz est émis.
Le méthane a un certain nombre d'effets indirects, en plus de la formation de CO 2. Tout d'abord, le principal produit chimique qui détruit le méthane dans l'atmosphère est la radical hydroxyle (OH). Le méthane réagit avec OH et un moyen de plus de méthane afin que la concentration de OH descend. En effet, le méthane augmente sa propre durée de vie atmosphérique et donc son effet radiatif global. Le second effet est que l'oxydation du méthane peut produire de l'ozone. En troisième lieu, ainsi que de faire CO 2 l'oxydation du méthane produit de l'eau; ce est une source importante de vapeur d'eau dans la stratosphère qui est par ailleurs très sec. CO et COVNM produisent également du CO 2 quand ils sont oxydés. Ils éliminent OH de l'atmosphère, ce qui conduit à de plus fortes concentrations de méthane. L'effet surprenant, ce est que le potentiel de réchauffement planétaire de CO est trois fois celui du CO 2. Le même processus qui convertit COVNM en dioxyde de carbone peut également conduire à la formation d'ozone troposphérique. Halocarbures ont un effet indirect, car ils détruisent l'ozone stratosphérique. Enfin hydrogène peut conduire à la production d'ozone et CH 4 augmente ainsi que la production de vapeur d'eau dans la stratosphère.
Contribution de nuages à l'effet de serre de la Terre
Le principal contributeur non-gaz à l'effet de serre de la Terre, nuages, aussi absorbent et émettent un rayonnement infrarouge et donc avoir un effet sur les propriétés radiatives des GES. Les nuages sont des gouttelettes d'eau ou cristaux de glace en suspension dans l'atmosphère.
Impacts sur l'effet de serre global
La contribution de chaque gaz à l'effet de serre est affectée par les caractéristiques de ce gaz, son abondance, et les effets indirects qu'il peut causer. Par exemple, sur un kg pour base kg les effets radiatifs directs de méthane est environ 72 fois plus puissant que le dioxyde de carbone sur une période de 20 ans, mais il est présent dans des concentrations beaucoup plus faibles de sorte que son effet radiatif direct total est plus petit, et il a une durée de vie atmosphérique plus courte. D'autre part, en plus de son méthane d'impact radiatif direct a un grand effet radiatif indirect, car il contribue à la formation d'ozone. Shindell et al. (2005) soutiennent que la contribution au changement climatique à partir de méthane est au moins le double des estimations précédentes en raison de cet effet.
Lorsque selon leur indice de leur contribution directe à l'effet de serre, les plus importants sont:
| Composé | Formule | Contribution (%) |
|---|---|---|
| La vapeur d'eau et les nuages | H 2 O | 36 à 72% |
| Le dioxyde de carbone | CO 2 | 9-26% |
| Méthane | CH 4 | 4-9% |
| Ozone | O 3 | 3-7% |
En plus des principaux gaz à effet énumérés ci-dessus, d'autres gaz de serre comprennent l'hexafluorure de soufre, hydrofluorocarbures et perfluorocarbures (voir Liste GIEC effet de serre). Certaines effet de serre ne sont pas souvent répertoriés. Par exemple, trifluorure d'azote a une grande potentiel de réchauffement global (GWP), mais ne est présent en très petites quantités.
Proportion des effets directs à un moment donné
Il ne est pas possible d'affirmer qu'un certain gaz provoque un pourcentage exact de l'effet de serre. Ce est parce que certains des gaz absorbent et émettent des radiations aux mêmes fréquences que les autres, de sorte que l'effet de serre total ne est pas simplement la somme de l'influence de chaque gaz. Les extrémités supérieures des fourchettes indiqués sont pour chaque gaz seul; les extrémités inférieures représentent les chevauchements avec d'autres gaz. En outre, certains gaz tels que le méthane sont connus pour avoir des effets indirects qui sont encore quantifiés.
Durée de vie atmosphérique
En plus de la vapeur d'eau , qui a un temps de séjour d'environ neuf jours, les principaux gaz à effet sont bien mélangés, et prennent de nombreuses années pour laisser l'atmosphère. Même se il ne est pas facile de connaître avec précision le temps qu'il faut à effet de serre de quitter l'atmosphère, il ya des estimations pour les principaux gaz à effet de serre. Jacob (1999) définit la durée de vie 
d'un atmosphérique espèce X dans un modèle à une boîte que la durée moyenne d'une molécule de X reste dans la boîte. Mathématiquement peut être défini comme le rapport de la masse 
(En kg) de X dans la zone de son taux d'élimination, qui est la somme du débit de X de la boîte ( 
), La perte chimique de X ( 
), Et dépôt de X ( 
) (Tous en kg / s): 
. Si on se arrêtait de verser une quelconque de ce gaz dans la boîte, puis après un temps , Sa concentration serait réduit de moitié environ.
La durée de vie atmosphérique d'une espèce mesure donc le temps nécessaire pour rétablir l'équilibre après une augmentation ou une diminution soudaine de sa concentration dans l'atmosphère. Atomes ou de molécules individuelles peuvent être perdues ou déposés dans les puits tels que le sol, les océans et autres eaux, ou de la végétation et d'autres systèmes biologiques, la réduction de l'excès de concentrations de fond. Le délai moyen d'y parvenir est la durée moyenne de vie.
Le dioxyde de carbone a une durée de vie atmosphérique variable et ne peut être précisément spécifié. La durée de vie atmosphérique de CO 2 est estimé de l'ordre de 30 à 95 ans. Ce chiffre représente molécules de CO 2 étant éliminées de l'atmosphère en mélangeant dans l'océan, la photosynthèse, et d'autres processus. Cependant, ce qui exclut les flux d'équilibrage de CO 2 dans l'atmosphère des réservoirs géologiques, qui ont des taux plus lent caractéristiques. Si plus de la moitié du CO 2 émis est éliminé de l'atmosphère à l'intérieur d'un siècle, une fraction (environ 20%) de CO 2 émis reste dans l'atmosphère pendant des milliers d'années. Des questions similaires se appliquent à d'autres gaz de serre, dont beaucoup ont des durées de vie moyennes plus que le CO 2. Par exemple, N 2 O a une durée de vie atmosphérique moyenne de 114 années.
Le forçage radiatif
La Terre absorbe une partie de l'énergie rayonnante reçue du soleil, reflète certaines d'entre elles comme la lumière et reflète ou re-rayonne le dossier à l'espace, chaleur. La température de surface de la Terre dépend de cet équilibre entre l'énergie entrant et sortant. Si ce bilan énergétique est décalé, la surface de la Terre pourrait devenir plus chaud ou plus froid, conduisant à une variété de changements dans le climat mondial.
Un certain nombre de mécanismes naturels et artificiels peut affecter l'équilibre de l'énergie et de la force des changements globaux du climat de la Terre. gaz à effet de serre sont un tel mécanisme. gaz à effet de serre dans l'atmosphère absorbent et ré-émettent partie de l'énergie rayonnée sortant de la surface de la Terre, en faisant que la chaleur d'être retenu dans la basse atmosphère. Comme expliqué ci-dessus , certains à effet de serre restent dans l'atmosphère pendant des décennies, voire des siècles, et peuvent donc influer sur le bilan énergétique de la Terre sur une longue période de temps. Les facteurs qui influencent le bilan énergétique de la Terre peuvent être quantifiés en termes de " climat forçage radiatif. "de forçage radiatif positif indique réchauffement (par exemple, en augmentant ou en diminuant l'énergie entrant la quantité d'énergie qui se échappe de l'espace), tandis que le forçage négatif est associé à un refroidissement.
Potentiel de réchauffement planétaire
Le potentiel de réchauffement global (PRG) dépend à la fois l'efficacité de la molécule sous forme de gaz à effet de serre et de sa durée de vie atmosphérique. GWP est mesurée par rapport à la même masse de CO 2 et évalué pour un délai spécifique. Ainsi, si un gaz a un haut (positif) forçage radiatif mais aussi une courte durée de vie, il aura une grande GWP sur une échelle de 20 ans mais un petit sur une échelle de 100 ans. Inversement, si une molécule a une durée de vie atmosphérique de plus de CO 2 son PRP va augmenter avec l'échelle de temps considérée. Le dioxyde de carbone est défini pour avoir un PRP de 1 sur toutes les périodes de temps.
Le méthane a une durée de vie atmosphérique de 12 ± 3 ans et un PRG de 72 plus de 20 ans, 25 plus de 100 ans et 7,6 plus de 500 ans. La diminution des temps plus longs GWP est parce que méthane est dégradé à l'eau et le CO 2 par des réactions chimiques dans l'atmosphère.
Des exemples de la durée de vie atmosphérique et GWP par rapport au CO 2 pour plusieurs effet de serre sont donnés dans le tableau suivant:
| nom de gaz | Chimique formule | Vie (années) | Potentiel de réchauffement global (PRG) pour l'horizon de temps donné | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 20-yr | 100-yr | 500-yr | |||
| Le dioxyde de carbone | CO 2 | Voir au dessus | 1 | 1 | 1 |
| Méthane | CH 4 | 12 | 72 | 25 | 7.6 |
| Le protoxyde d'azote | N 2 O | 114 | 289 | 298 | 153 |
| CFC-12 | CCl 2 F 2 | 100 | 11 000 | 10 900 | 5 200 |
| HCFC-22 | CHClF 2 | 12 | 5 160 | 1 810 | 549 |
| Tétrafluorométhane | 4 CF | 50 000 | 5 210 | 7 390 | 11 200 |
| Hexafluoréthane | C 2 F 6 | 10 000 | 8 630 | 12 200 | 18 200 |
| L'hexafluorure de soufre | SF 6 | 3 200 | 16 300 | 22 800 | 32 600 |
| Trifluorure d'azote | NF 3 | 740 | 12 300 | 17 200 | 20 700 |
L'utilisation de CFC-12 (à l'exception des utilisations essentielles) a été éliminée en raison de ses appauvrissant l'ozone propriétés. La suppression progressive des moins actifs HCFC-composés seront terminés en 2030.
Effet de serre anthropiques
Depuis environ 1750 activité humaine a augmenté la concentration de dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre. Les concentrations atmosphériques mesurées de dioxyde de carbone sont actuellement 100 ppm plus élevée que les niveaux pré-industriels. Les sources naturelles de dioxyde de carbone sont plus de 20 fois plus grande que les sources dues à l'activité humaine, mais sur des périodes plus longues de quelques années sources naturelles sont étroitement équilibrés par les puits naturels, principalement la photosynthèse des composés de carbone par les plantes et le plancton marin. En raison de cet équilibre, la fraction molaire de l'atmosphère de dioxyde de carbone est maintenue entre 260 et 280 parties par million à 10.000 ans entre la fin du dernier maximum glaciaire et le début de l'ère industrielle.
Il est probable que anthropique (ce est à dire, d'origine humaine) le réchauffement, telle que celle en raison de niveaux de gaz à effet de serre élevées, a eu une influence perceptible sur de nombreux systèmes physiques et biologiques. Le réchauffement projeté d'avoir une gamme de conséquences , y compris l'élévation du niveau de la mer , l'augmentation de fréquence et la gravité de certains des événements météorologiques extrêmes, perte de biodiversité, changements et régionales dans la productivité agricole.
Les principales sources de gaz à effet de serre dues à l'activité humaine sont:
- combustion de combustibles fossiles et déforestation conduit à des concentrations plus élevées de dioxyde de carbone dans l'air. changement d'affectation des terres (principalement de la déforestation dans les tropiques) représentent jusqu'à un tiers du total des émissions de CO 2 d'origine anthropique.
- bétail la fermentation entérique et gestion du fumier, le paddy de riz l'agriculture, l'utilisation des terres et des zones humides changements, pertes dans les gazoducs, et les émissions d'enfouissement ventilés couverts menant à méthane concentrations atmosphériques élevées. Beaucoup de style plus récent qui fosses septiques entièrement ventilés qui améliorent et ciblent le processus de fermentation sont également des sources de méthane atmosphérique.
- l'utilisation des chlorofluorocarbures (CFC) dans systèmes de réfrigération et l'utilisation des CFC et des halons dans systèmes d'extinction d'incendie et procédés de fabrication.
- activités agricoles, y compris l'utilisation d'engrais, qui conduisent à l'oxyde nitreux supérieur (N 2 O) concentrations.
Les sept sources de CO 2 provenant de la combustion de combustibles fossiles sont (avec des contributions de pourcentage pour 2000 à 2004):
| Sept principal combustible fossile les sources de combustion | Contribution (%) |
|---|---|
| Les combustibles liquides (par exemple, essence, fioul) | 36% |
| Les combustibles solides (par exemple, le charbon ) | 35% |
| Combustibles gazeux (par exemple, le gaz naturel ) | 20% |
| La production de ciment | 3% |
| Le torchage du gaz industriel et au puits | <1% |
| Les hydrocarbures non-combustible | <1% |
| "International les combustibles de soute "de transport non inclus dans les inventaires nationaux | 4% |
Le dioxyde de carbone , méthane , l'oxyde nitreux (N 2 O) et trois groupes de (gaz fluorés l'hexafluorure de soufre (SF 6), les hydrofluorocarbones (HFC), et perfluorocarbures (PFC)) sont les principaux gaz à effet de serre anthropiques, et sont régis par la Protocole de Kyoto internationale traité, qui est entré en vigueur en 2005. Les limites des émissions spécifiées dans le Protocole de Kyoto expire en 2012. Le Accord de Cancun, a convenu en 2010, comprend des engagements volontaires pris par 76 pays pour contrôler les émissions. Au moment de l'accord, ces 76 pays étaient collectivement responsables de 85% des émissions mondiales annuelles.
Bien que CFC sont des gaz à effet de serre, ils sont régis par la Protocole de Montréal, qui a été motivé par la contribution de CFC pour la couche d'ozone plutôt que par leur contribution au réchauffement climatique. Notez que la couche d'ozone a seulement un rôle mineur dans l'effet de serre que les deux processus sont souvent confondus dans les médias.
Rôle de la vapeur d'eau
La vapeur d'eau représente le plus grand pourcentage de l'effet de serre, entre 36% et 66% pour les conditions de ciel clair et entre 66% et 85% si l'on inclut les nuages. les concentrations de vapeur d'eau fluctuent régional, mais l'activité humaine ne affecte pas significativement les concentrations de vapeur d'eau, sauf à l'échelle locale, comme à proximité des champs irrigués. La concentration atmosphérique de la vapeur est très variable et dépend en grande partie de la température, de moins de 0,01% dans les régions extrêmement froides jusqu'à 20% dans les régions chaudes et humides.
Le temps de séjour moyen d'une molécule d'eau dans l'atmosphère est seulement d'environ neuf jours, par rapport aux années ou des siècles pour d'autres gaz de serre tels que le CH 4 et CO 2. Ainsi, la vapeur d'eau répond à et amplifie les effets des autres gaz à effet de serre. Le Formule de Clapeyron établit que l'air peut contenir plus de vapeur d'eau par unité de volume quand il se réchauffe. Ceci et d'autres principes de base indique que le réchauffement de l'accroissement des concentrations des autres gaz augmente également la concentration de vapeur d'eau (en supposant que le l'humidité relative reste à peu près constante; modélisation et études observationnelles trouver que ce est effectivement le cas). Parce que la vapeur d'eau est un gaz à effet de serre, il en résulte un réchauffement supplémentaire et est donc " rétroaction positive "qui amplifie le réchauffement d'origine. Finalement autres processus terrestres contrebalancé ces évaluations positives, la stabilisation de la température mondiale à un nouvel équilibre et de prévenir la perte de l'eau de la Terre par une Vénus comme emballement effet de serre.
Encore une fois en supposant humidité relative constante, le Équation de Clausius-Clapeyron montre que la vapeur d'eau augmente à peu près exponentiellement avec la température, à environ 7% pour des températures typiques.
Élimination de l'atmosphère («puits»)
Les processus naturels
Ces gaz peuvent être retirées de l'atmosphère par divers procédés, comme une conséquence de:
- un changement physique (condensation et la précipitation éliminer la vapeur d'eau de l'atmosphère).
- une réaction chimique dans l'atmosphère. Par exemple, le méthane est oxydé par réaction avec l'état naturel hydroxyle radical OH · et dégradé en CO 2 et la vapeur d'eau (CO 2 provenant de l'oxydation du méthane ne est pas inclus dans le méthane Potentiel de réchauffement global). Autres réactions chimiques comprennent une solution solide et la chimie en phase survenant dans les aérosols atmosphériques.
- un échange physique entre l'atmosphère et les autres compartiments de la planète. Un exemple est le mélange de gaz atmosphériques dans les océans.
- une modification chimique à l'interface entre l'atmosphère et les autres compartiments de la planète. Ce est le cas pour le CO 2, qui est réduite par la photosynthèse des plantes, et qui, après dissolution dans les océans, réagit pour former l'acide carbonique et bicarbonate et carbonate ions (voir l'acidification des océans).
- une changement photochimique. Les halocarbures sont dissociées par UV lumière libérant Cl et F · · que radicaux libres dans le stratosphère avec des effets néfastes sur l'ozone (halocarbures sont généralement trop stable à disparaître par réaction chimique dans l'atmosphère).
Émissions négatives
Un certain nombre de technologies d'élimination des émissions de GES dans l'atmosphère. Les plus largement analysés sont ceux qui enlèvent le dioxyde de carbone de l'atmosphère, que ce soit à des formations géologiques telles que bioénergie avec capture et stockage du carbone et capture du dioxyde de carbone de l'air, ou sur le sol comme ce est le cas avec biochar. Le GIEC a souligné que de nombreux modèles de scénarios climatiques à long terme exigent à grande échelle des émissions négatives causées par l'homme pour éviter de graves changements climatiques.
Histoire de la recherche scientifique
Fin des scientifiques du 19ème siècle expérimentalement découvert que N 2 et O 2 ne absorbent pas le rayonnement infrarouge (appelé, à cette époque, "rayonnement sombre") de tout, au contraire, de l'eau, en tant que véritable vapeur et condensés sous la forme de gouttelettes microscopiques en suspension dans les nuages, ainsi que CO 2 et d'autres molécules gazeuses poly-atomique, faire absorber le rayonnement infrarouge. Il a été reconnu au début du 20ème siècle que l'effet de serre dans l'atmosphère effectués température globale de la Terre supérieure à ce qu'elle serait sans eux. Au cours de la fin du 20e siècle, un consensus scientifique évolué que des concentrations croissantes de gaz de serre dans l'atmosphère sont à l'origine d'une augmentation substantielle des températures mondiales et des changements à d'autres parties du système climatique, avec des conséquences pour l'environnement et pour la santé humaine.
