Gaz à effet de serre : causes, effets et systèmes de mesure pour l’action climatique

Touchant à sa fin, l’été 2024 a été le plus chaud jamais enregistré depuis le début de la collecte des données météorologiques, il y a 175 ans. Un record qui ne paraît même plus extraordinaire, la température de la planète s’élevant inexorablement depuis quatre décennies, avec une augmentation moyenne de 1,45 °C.

Si 2023 a été l’année la plus chaude jamais enregistrée, il est probable que les températures mondiales dépasseront, fin 2024, celles enregistrées l’année dernière. Le plus alarmant est que nous ne sommes pas confrontés à un scénario d’anomalies météorologiques se manifestant par des épisodes ponctuels ou saisonniers, mais à des changements de plus en plus constants et récurrents dus à l’énergie piégée dans l’atmosphère, ayant pour origine les niveaux élevés de gaz à effet de serre (GES) présents.

« L’année 2023 nous a clairement montré que le changement climatique était déjà là. Des températures sans précédent embrasent la terre, réchauffent les océans, et des épisodes de phénomènes météorologiques extrêmes ravagent l’ensemble de la planète. Bien que nous sachions que ce n’est que le début, la réponse mondiale est clairement insuffisante. » Antonio Gutérres, Secrétaire général de l’ONU.

Feux de forêt, cyclones, vagues de chaleur, pluies torrentielles, élévation du niveau de la mer ou longues sécheresses sont des phénomènes toujours plus fréquents qui se développent avec une vitesse et une fureur inhabituelles sur l’ensemble de la planète. Les êtres humains mais aussi les écosystèmes et les espèces de leurs habitats sont les victimes des plus grands ravages de cette menace.

Pour faire face à cette menace environnementale mondiale, il est essentiel de surveiller l’état du climat. Grâce à une surveillance précise des principaux gaz contribuant à l’effet de serre (dioxyde de carbone, méthane et oxyde nitreux), il est encore possible d’atténuer le changement climatique.

Qu’est-ce que l’effet de serre

L’effet de serre est un phénomène naturel qui permet à la Terre de retenir la chaleur émanant de la lumière visible et ultraviolette, entre autres rayonnements solaires. Une partie de ce rayonnement est absorbée par la surface terrestre, ce qui provoque son réchauffement à un niveau adapté au développement de la vie. Sans cette énergie solaire, la température moyenne de la planète ne dépasserait pas -18 °C.

Pour équilibrer la chaleur, une partie de ce rayonnement est toutefois renvoyée dans l’atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge. C’est alors que certains gaz polluants, issus des activités humaines et demeurant dans l’atmosphère, entrent en action en absorbant une partie de ce rayonnement infrarouge, à son tour renvoyé vers la surface terrestre, provoquant un réchauffement considérable. La chaleur piégée par l’action des gaz à effet de serre modifie radicalement la température adaptée au développement de la vie dans la biosphère et provoque le réchauffement mondial.

Principales causes de l’augmentation de la concentration de gaz à effet de serre

Les principales sources de polluants atmosphériques contribuant à l’effet de serre sont les activités humaines qui rejettent un certain nombre de GES dans l’atmosphère.

Selon le secteur dont ils sont issus, les causes de la présence des GES peuvent être classées comme suit :

Combustion de combustibles fossiles

Industrie et production d’énergie

Les industries utilisant le charbon, le pétrole et le gaz naturel comme combustible sont, avec les centrales électriques, les plus grandes sources de production de dioxyde de carbone, le principal gaz contribuant à l’effet de serre.

Transport

Les modes de transport utilisant les combustibles fossiles, tels que les voitures, les camions, les avions et les navires, génèrent de grandes quantités de CO₂.

Agriculture et élevage

Les activités agricoles et d’élevage génèrent deux des principaux GES : le méthane et l’oxyde nitreux. Le méthane est également généré par la décomposition anaérobie des déchets agricoles et organiques dans les décharges. L’oxyde nitreux provient principalement des engrais azotés synthétiques utilisés dans l’agriculture intensive et certains processus industriels.

Déforestation

Les vastes étendues de végétation naturelle telles que les forêts possèdent une remarquable capacité d’absorption du CO₂. Leur disparition, comme c’est le cas avec la déforestation de la superficie boisée, favorise la persistance dans l’atmosphère de grandes proportions de ces si nocifs GES. Les arbres et la végétation en général sont connus en tant que puits de carbone, les structures végétales étant, avec les océans, les agents naturels capturant le plus le CO₂ stocké dans l’atmosphère.

Déchets et décharges

La décomposition des déchets organiques dans les décharges produit du méthane en raison de la décomposition anaérobie de la matière organique. De même, l’incinération des déchets dérivés du pétrole rejette de multiples polluants dans l’air, dont du CO₂.

Processus industriels

Certaines activités industrielles telles que la production de ciment, d’acier, de produits chimiques et autres matériaux rejettent de grandes quantités de CO₂ et d’autres gaz tels que l’oxyde nitreux et les fluorocarbones.

Utilisation de produits chimiques industriels

Les gaz fluorés, les chlorofluorocarbures (CFC), les hydrofluorocarbures (HFC) et les perfluorocarbures (PFC) sont utilisés dans des produits chimiques tels que les réfrigérants, les aérosols et les mousses. Leur rejet dans l’air est très dangereux car ce sont des GES très puissants. Leur concentration dans l’atmosphère est toutefois inférieure à celle du dioxyde de carbone et du méthane.

L’importance de mesurer les gaz à effet de serre

La surveillance des polluants atmosphériques, anthropiques principalement, doit être fondée sur des données exactes et précises pour évaluer correctement l’impact des GES sur l’état mondial du climat. Cela a été confirmé par plus d’une centaine d’experts mondiaux issus de 48 pays, réunis par le GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) à Ispra (Italie), au Centre commun de recherche de la Commission européenne.

Selon le chercheur Giacomo Grassi, le plus grand défi auquel nous sommes confrontés réside dans « les différences surprenantes entre les estimations des flux anthropiques de CO₂ et les inventaires nationaux de gaz à effet de serre utilisés pour évaluer le respect des objectifs climatiques nationaux ». Ceux-ci doivent suivre les directives des cadres internationaux tels que l’Accord de Paris, les budgets carbone mondiaux (ceux-ci cherchent un équilibre entre la quantité de CO₂ produite par l’industrie, les ménages et les autres secteurs de l’économie, et les activités qui l’éliminent de l’atmosphère) et les rapports d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat.

« Bien qu’il existe des outils et des modèles offrant des possibilités de surveillance sans précédent, des différences significatives persistent encore au niveau des estimations des flux de CO₂ provenant de l’utilisation anthropique de la Terre. » Grassi, G., et.al, 2023.

La mesure des flux et des concentrations de gaz polluants tels que le dioxyde de carbone, le méthane et l’oxyde nitreux, à savoir les trois émissions principales contribuant au changement climatique, doit reposer sur des données fiables et cohérentes. La collecte de données fiables et leur analyse ultérieure permet ainsi d’évaluer avec précision l’état mondial du climat.

Pour être efficaces dans l’action climatique mondiale, les politiques nationales et internationales doivent être fondées sur les données à la base de la recherche scientifique. Ces données, une fois analysées, fournissent une ressource fiable et transparente qui soutient non seulement l’innovation technologique et la certification des produits, mais aussi l’élaboration de normes et de pratiques réglementaires face au réchauffement climatique.

Plus de science pour le climat

Dans le domaine de la recherche scientifique, la collecte de données sur les GES est cruciale pour comprendre et atténuer le changement climatique. Ces données permettent aux scientifiques de modéliser et de prédire les changements climatiques, d’évaluer l’impact des activités humaines et de développer des stratégies de réduction des émissions.

Par exemple, l’agriculture est une source significative de gaz polluants tels que le méthane et l’oxyde nitreux, pour lesquels des organismes tels que la FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) élaborent des guides permettant d’estimer avec précision les émissions de ce secteur. Ceux-ci incluent également des pratiques visant à réduire la contribution des activités agricoles à la présence de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

« Les avancées scientifiques et technologiques révolutionnaires, telles que la modélisation climatique haute résolution, l’intelligence artificielle et la prévision immédiate, peuvent impulser la transformation qui permettra d’atteindre les ODD. En outre, parvenir à ce que les alertes précoces protègent l’ensemble de la population d’ici à 2027 permettra non seulement de sauver des vies et des moyens de subsistance, mais contribuera également à préserver le développement durable. » Petteri Taalas, Secrétaire général de l’Organisation météorologique mondiale (OMM).

Il est en outre fondamental de pouvoir disposer de données ouvertes pour mesurer correctement l’empreinte carbone et, en s’y appuyant, promouvoir la transparence et l’action collective. En Europe, l’utilisation de données ouvertes a déjà contribué à des économies significatives d’énergie et de coûts.

La science a donc un rôle primordial à jouer pour avancer face à l’extrême urgence requise par l’action climatique. Ainsi, l’Organisation météorologique mondiale (WMO, en anglais) a lancé le programme de surveillance des gaz à effet de serre Global Greenhouse Gas Watch (G3W), par lequel elle invite les experts mondiaux à collaborer à un effort intégré et commun de surveillance des GES présents aussi bien dans l’espace que dans l’atmosphère en contact avec la surface terrestre.

L’analyse des données obtenues lors de la mesure et du contrôle des niveaux des principaux GES, est cruciale pour la modélisation. Cela permet le développement de stratégies d’action climatique alignées sur l’Accord de Paris et les mesures d’atténuation adoptées par 197 pays dans la Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques (CCNUCC), visant à stabiliser les concentrations de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

L’urgente nécessité de réduire les émissions mondiales de GES pour parvenir à un avenir zéro émission nette, exige un effort conjoint au niveau mondial. La collecte et l’analyse des données est donc un fondement essentiel de la lutte contre le réchauffement climatique. Leur surveillance et leur vérification constituent l’outil permettant aux pays d’évaluer l’efficacité de leurs actions climatiques.

À mi-parcours de l’agenda 2030, la science est claire : la planète est très loin d’atteindre ses objectifs climatiques. United in Science 2023 Inform. WMO.

Mesurer et modéliser le climat du futur

La surveillance précise des principaux gaz contribuant à l’effet de serre, tels que le dioxyde de carbone (CO₂), le méthane (CH₄) et l’oxyde nitreux (N₂O), est cruciale pour avancer vers un avenir climatique sûr. L’amélioration de la précision et de la fiabilité de la surveillance du dioxyde de carbone, du méthane et de l’oxyde nitreux permettra la vérification des données et le développement de modèles en tant que méthode fiable et efficace sur laquelle baser les politiques climatiques aux niveaux national, régional et local, et de progresser ainsi à l’échelle mondiale à la poursuite de résultats face au changement climatique.

Si l’impact des gaz à effet de serre sur l’atmosphère suscite une inquiétude croissante, de plus en plus d’accords internationaux permettent également d’en inventorier avec précision les sources et les niveaux d’émissions.

Pour le CO₂, le plus important des gaz à effet de serre, il existe par exemple plusieurs ensembles de données internationales relatives à la production et au traitement des combustibles fossiles, qui permettent de constituer la base des inventaires des émissions. Combinés à des données sur la teneur en carbone de divers combustibles et produits industriels, ces ensembles de données permettent de réaliser des estimations raisonnables d’émissions annuelles nationales de CO₂.

« Si les émissions de dioxyde de carbone diminuent dans certaines régions, y compris en Europe et aux États-Unis, elles continuent globalement de croître… L’action mondiale visant à réduire la consommation de combustibles fossiles ne se fait pas assez rapidement pour prévenir les impacts dangereux du changement climatique. » Global Carbon Budget 2023 Report.

Bien que tout aussi important, il est toutefois plus difficile d’estimer les émissions de gaz contribuant à l’effet de serre à une échelle nationale et temporelle plus petite. Ces estimations sont souvent dérivées de données indirectes telles que la densité de la population, les observations par satellite de l’éclairage nocturne ou les chiffres de la circulation routière, pour estimer les émissions urbaines ou de certaines zones géographiques.  Des limites claires doivent pour cela être établies pour les inventaires, ainsi que pour comprendre l’incertitude des émissions inventoriées.

De même, des données obtenues de façon précise et fiable appuient la recherche scientifique qui cherche à mieux comprendre les processus climatiques complexes et leurs effets sur les écosystèmes. Des informations détaillées sur les sources d’émission et leur variabilité dans le temps sont également essentielles pour créer des modèles climatiques plus précis, outils clés pour la prévision et la planification à long terme.

En bref, la compilation de données est importante non seulement pour l’action climatique actuelle, mais aussi pour préparer la société et les activités humaines à s’adapter aux changements futurs et, par conséquent, minimiser les risques liés au changement climatique pour les personnes et l’environnement.

Comment mesurer les gaz à effet de serre

La compilation de données sur les GES s’effectue par le biais de diverses méthodes comprenant aussi bien la compilation de données existantes que la génération de nouvelles données.

Stations de surveillance atmosphérique

Les stations de surveillance atmosphérique jouent un rôle essentiel dans la mesure des GES en fournissant des données continues et en temps réel sur la concentration de ces gaz dans l’atmosphère. Ces stations sont stratégiquement situées dans des zones urbaines, rurales et éloignées afin de dresser un tableau complet des émissions mondiales et régionales. Une station de surveillance typique est équipée d’une série d’analyseurs spécialisés pour détecter les principaux gaz responsables de l’effet de serre. Les instruments les plus courants incluent les spectromètres d’absorption infrarouge non dispersifs (NDIR), la spectroscopie d’absorption laser à diode accordable (TDLAS) ou la chromatographie en phase gazeuse.

Images satellites

L’intégration de données provenant de différentes sources et technologies permet également de créer des modèles climatiques plus précis, qui sont des outils clés pour la prévision et la planification à long terme.

Des méthodes indirectes telles que l’analyse d’images satellitaires, permettant d’indiquer des niveaux de gaz dans des zones étendues et éloignées, sont pour cela utilisées.

Les satellites peuvent embarquer des instruments tels que des spectromètres qui mesurent la lumière solaire réfléchie et absorbée par la Terre, pour fournir des données sur la concentration de gaz tels que le CO₂, CH₄ et N₂O.

La technologie LIDAR (détection et télémétrie par ondes lumineuses) a également été intégrée aux plateformes satellitaires.  Ces systèmes émettent des impulsions laser vers l’atmosphère et mesurent la lumière réfléchie pour calculer les concentrations de gaz. Les satellites équipés de la technologie LIDAR peuvent effectuer des relevés à grande échelle de l’atmosphère et de la surface terrestre, ce qui contribue à obtenir une vision plus large des tendances mondiales en matière de qualité de l’airLa qualité de l'air se réfère à l'état de l'air que nous respirons et à sa composition en termes de polluants présents dans l'atmosphère. Elle est ...
En savoir plus.

Inventaires des gaz à effet de serre

Les inventaires nationaux de gaz à effet de serre sont également une source cruciale de données sur une période donnée (généralement un an). Ces données obtenues selon la méthodologie normalisée par le GIEC sont fondamentales. Il s’agit de données compilées à partir de statistiques énergétiques, de données industrielles, et de données provenant d’autres sources de quantification des émissions anthropiques.

Ces inventaires sont utilisés pour vérifier que chaque pays respecte les traités internationaux relatifs à l’action climatique tels que l’Accord de Paris. De même, les inventaires permettent à chaque pays d’évaluer l’efficacité de ses politiques climatiques et de les réadapter pour atteindre les objectifs fixés au niveau mondial.

Ces méthodes sont complétées par des modèles informatiques qui estiment les émissions en fonction de facteurs d’émission et de données d’activité. L’adaptation des données à des fins d’inventaire est un processus méticuleux qui assure la cohérence et la comparabilité dans le temps et entre différentes régions.

Stations de surveillance basées sur des capteurs

Les stations de surveillance basées sur des capteurs jouent un rôle fondamental dans la détection précoce des fuites et des émissions localisées, en particulier dans les secteurs industriels. Bien que ces stations, utilisées pour la surveillance de la qualité de l’air, ne soient pas utiles pour mesurer directement à grande échelle les concentrations de GES dans l’atmosphère, elles sont essentielles pour leur détection car elles permettent aux industries d’identifier les fuites en temps réel et de détecter les processus inefficaces susceptibles de générer des émissions supplémentaires.

Par exemple, les capteurs Kunak, peu coûteux et de haute précision, installés dans l’enceinte des infrastructures industrielles, permettent d’identifier des fuites de méthane dans les décharges ou les installations de traitement du gaz.

Ce type de technologie aide les entreprises à agir rapidement, en minimisant les émissions fugitives et en optimisant leurs processus. Ces capteurs contribuent indirectement à l’atténuation des GES en réduisant les fuites incontrôlées et en optimisant les processus industriels. Ils permettent donc un contrôle plus efficace des émissions en temps réel, ce qui est crucial pour atteindre les objectifs climatiques mondiaux.

Autres méthodes

Une autre technologie importante est la technique d’Eddy-Covariance, une méthode scientifique qui mesure les flux de gaz entre la surface de la Terre (sol, eau et végétation) et l’atmosphère pour déterminer l’échange de gaz entre celles-ci. Cette technique est particulièrement utile pour étudier les puits et les sources de gaz à effet de serre par fluctuation (tourbillons ou « eddy » en anglais) qui circulent verticalement entre la Terre et l’atmosphère en transportant gaz, vapeur d’eau et énergie.

En outre, des techniques isotopiques utilisant de l’azote 15 et du carbone 13 sont utilisées pour suivre le mouvement et l’origine des émissions de gaz, ce qui est essentiel pour développer des pratiques agricoles durables et climatiquement intelligentes.

La combinaison de ces technologies fournit une image complète et précise des niveaux de gaz à effet de serre, condition essentielle pour prendre des décisions éclairées face au changement climatique.

Action climatique

Il n’y a pas de temps à perdre pour que les principaux responsables, les pays aux revenus les plus élevés (membres du G20 et responsables de près de 70 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre), agissent.

Des mesures plus ambitieuses sont urgentes et nécessaires pour atteindre les objectifs climatiques qui exigent une réduction de 28 % de ces gaz d’ici 2030. Atteindre cet objectif est essentiel pour faire avancer l’action climatique et assurer un climat sain pour la vie sur la planète.

Références

• Poulter, B., Canadell, J., Hayes, D. and Thompson, R. Balancing Greenhouse Gas Budgets. Eds. Elsevier. May 2022.
• Janssens-Maenhout, G., al,2020. Toward an Operational Anthropogenic CO2 Emissions Monitoring and Verification Support Capacity. Bull. Amer. Meteor. Soc., 101, E1439–E1451, https://doi.org/10.1175/BAMS-D-19-0017.1
• Grassi, G., al, 2023.  Harmonising the land-use flux estimates of global models and national inventories for 2000—2020. Earth System Science Data, 15, 3 (1093—1114). https://essd.copernicus.org/articles/15/1093/2023/
• World Meteorological Organization, al. United in Science 2023 Inform. https://library.wmo.int/records/item/68235-united-in-science-2023
• Friedlingstein, P. al.Global Carbon Budget 2023. Earth System Science Data. 15, 12 (5301—5369). https://essd.copernicus.org/articles/15/5301/2023