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Pourquoi le dioxyde de carbone est-il un gaz à effet de serre alors que l'ammoniac ne l'est pas ?


Pourquoi certains gaz sont-ils des gaz à effet de serre alors que d'autres ne le sont pas ?

J'ai recherché ceci sur le net mais je n'ai pas obtenu de réponses claires/crédibles.

Quelle est exactement la propriété commune à l'ozone, à la vapeur d'eau, aux CFC et au méthane ?


Ceci est mieux adapté pour le site Chimie, mais il y a deux raisons. 1) Le gaz laisse passer la lumière visible, mais bloque l'infrarouge. (Ce qui a à voir avec la nature des liaisons entre les atomes &c.) 2) Il existe dans l'atmosphère en quantité suffisante pour avoir un effet, ce que l'ammoniac n'a pas : https://www.livescience.com/57305-ammonia -detected-in-atmosphere.html C'est assez réactif, donc l'ammoniac qui est libéré par exemple les engrais ou l'urine ne restent pas longtemps.


Aperçu des gaz à effet de serre

Émissions totales des États-Unis en 2019 = 6 558 millions de tonnes métriques de CO2 équivalent (hors secteur foncier). La somme des pourcentages peut ne pas correspondre à 100 % en raison de l'arrondissement indépendant.

Image agrandie à enregistrer ou à imprimer Les gaz qui emprisonnent la chaleur dans l'atmosphère sont appelés gaz à effet de serre. Cette section fournit des informations sur les émissions et les absorptions des principaux gaz à effet de serre vers et depuis l'atmosphère. Pour plus d'informations sur les autres facteurs de forçage du climat, tels que le carbone noir, veuillez visiter la page Indicateurs du changement climatique : forçage du climat.

6 457 millions de tonnes de CO2: Qu'est-ce que ça veut dire?

Une explication des unités :

Un million de tonnes métriques équivaut à environ 2,2 milliards de livres, soit 1 000 milliards de grammes. A titre de comparaison, une petite voiture est susceptible de peser un peu plus d'une tonne métrique. Ainsi, un million de tonnes métriques équivaut à peu près à la même masse qu'un million de petites voitures !

L'inventaire américain utilise des unités métriques à des fins de cohérence et de comparabilité avec d'autres pays. Pour référence, une tonne métrique est un peu plus grande (environ 10%) qu'une tonne "courte" américaine.

Les émissions de GES sont souvent mesurées en dioxyde de carbone (CO2) équivalent. Pour convertir les émissions d'un gaz en CO2 équivalent, ses émissions sont multipliées par le potentiel de réchauffement global (PRP) du gaz. Le GWP prend en compte le fait que de nombreux gaz sont plus efficaces pour réchauffer la Terre que le CO2, par unité de masse.

Les valeurs GWP apparaissant dans les pages Web sur les émissions reflètent les valeurs utilisées dans l'inventaire américain, qui sont tirées du quatrième rapport d'évaluation du GIEC (AR4). Pour une discussion plus approfondie des PRP et une estimation des émissions de GES à l'aide des PRP mis à jour, voir l'annexe 6 de l'inventaire des États-Unis et la discussion du GIEC sur les PRP (PDF) (106 p, 7,7 Mo) . Sortir

  • Dioxyde de carbone (CO2) : Le dioxyde de carbone pénètre dans l'atmosphère par la combustion de combustibles fossiles (charbon, gaz naturel et pétrole), de déchets solides, d'arbres et d'autres matières biologiques, ainsi qu'à la suite de certaines réactions chimiques (par exemple, la fabrication de ciment). Le dioxyde de carbone est retiré de l'atmosphère (ou « séquestré ») lorsqu'il est absorbé par les plantes dans le cadre du cycle biologique du carbone.
  • Méthane (CH4) : Le méthane est émis lors de la production et du transport du charbon, du gaz naturel et du pétrole. Les émissions de méthane résultent également de l'élevage et d'autres pratiques agricoles, de l'utilisation des terres et de la décomposition des déchets organiques dans les décharges municipales de déchets solides.
  • Protoxyde d'azote (N2O) : Le protoxyde d'azote est émis lors de l'agriculture, de l'utilisation des terres, des activités industrielles, de la combustion de combustibles fossiles et de déchets solides, ainsi que lors du traitement des eaux usées.
  • Gaz fluorés : Les hydrofluorocarbures, les perfluorocarbures, l'hexafluorure de soufre et le trifluorure d'azote sont de puissants gaz à effet de serre synthétiques émis par divers procédés industriels. Les gaz fluorés sont parfois utilisés comme substituts des substances appauvrissant la couche d'ozone stratosphérique (par exemple, les chlorofluorocarbures, les hydrochlorofluorocarbures et les halons). Ces gaz sont généralement émis en plus petites quantités, mais parce qu'ils sont de puissants gaz à effet de serre, ils sont parfois appelés gaz à potentiel de réchauffement global élevé (« gaz à PRP élevé »).

L'effet de chaque gaz sur le changement climatique dépend de trois facteurs principaux :

Combien est dans l'atmosphère?

Concentration ou abondance, est la quantité d'un gaz particulier dans l'air. Des émissions plus importantes de gaz à effet de serre entraînent des concentrations plus élevées dans l'atmosphère. Les concentrations de gaz à effet de serre sont mesurées en parties par million, parties par milliard et même parties par billion. Une partie par million équivaut à une goutte d'eau diluée dans environ 13 gallons de liquide (environ le réservoir de carburant d'une voiture compacte). Pour en savoir plus sur les concentrations croissantes de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, visitez la page Indicateurs de changement climatique : Concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre.

Combien de temps restent-ils dans l'atmosphère ?

Chacun de ces gaz peut rester dans l'atmosphère pendant des durées différentes, allant de quelques années à des milliers d'années. Tous ces gaz restent dans l'atmosphère assez longtemps pour être bien mélangés, ce qui signifie que la quantité mesurée dans l'atmosphère est à peu près la même partout dans le monde, quelle que soit la source des émissions.

Avec quelle force ont-ils un impact sur l'atmosphère ?

Certains gaz sont plus efficaces que d'autres pour réchauffer la planète et "épaissir la couverture terrestre".

Pour chaque gaz à effet de serre, un potentiel de réchauffement global (PRP) a été calculé pour refléter combien de temps il reste dans l'atmosphère, en moyenne, et à quel point il absorbe l'énergie. Les gaz avec un GWP plus élevé absorbent plus d'énergie, par livre, que les gaz avec un GWP plus faible, et contribuent ainsi davantage au réchauffement de la Terre.


Calculez votre empreinte carbone

Quelle est votre empreinte carbone ? Utilisez cette calculatrice interactive pour le découvrir et agir.

Une empreinte carbone est la quantité totale de gaz à effet de serre (y compris le dioxyde de carbone et le méthane) qui sont générés par nos actions.

L'empreinte carbone moyenne d'une personne aux États-Unis est de 16 tonnes, l'un des taux les plus élevés au monde. Globalement, la moyenne est plus proche de 4 tonnes. Pour avoir les meilleures chances d'éviter une augmentation de 2℃ des températures mondiales, l'empreinte carbone mondiale moyenne par an doit tomber en dessous de 2 tonnes d'ici 2050.

Faire passer l'empreinte carbone individuelle de 16 tonnes à 2 tonnes ne se fait pas du jour au lendemain ! En apportant de petits changements à nos actions, comme manger moins de viande, prendre moins de vols de correspondance et faire sécher nos vêtements à la corde, nous pouvons commencer à faire une grande différence.


Les chercheurs considèrent le dioxyde de carbone comme un gaz réfrigérant plus respectueux de l'environnement

Dans une zone de recherche intérieure, Brian Fricke prépare des vitrines pour la réfrigération.

Garder les aliments frais n'est pas une mince affaire. Les essais de transport de glace sur de longues distances et les dangers des systèmes qui reposent sur des gaz toxiques remplissent les pages de l'histoire de la réfrigération. Et bien que la science du refroidissement ait parcouru un long chemin au cours des deux derniers siècles, la réfrigération moderne a un coût environnemental qui pose de nouveaux défis.

En expérimentant le CO2 systèmes réfrigérants et de nouvelles molécules réfrigérantes, cependant, Brian Fricke, chercheur au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, cherche à atténuer et à minimiser l'empreinte environnementale de la réfrigération conventionnelle.

"Chaque supermarché a beaucoup de réfrigérant dans son système - de deux à quatre mille livres - et environ 20 % de celui-ci s'échappe chaque année. C'est beaucoup de gaz à effet de serre dans l'atmosphère", a déclaré Fricke, qui travaille à l'ORNL Buildings Technologies Research et Centre d'intégration, une installation d'utilisateurs du DOE.

C'est particulièrement vrai pour les hydrofluorocarbures, ou HFC, les vitrines de supermarché de refroidissement par réfrigérant les plus courantes aux États-Unis aujourd'hui. Les HFC ont suivi une élimination progressive de leur précurseur chlorofluorocarbure lorsque des scientifiques dans les années 1970 ont retracé le chlore décomposant l'ozone dans la haute atmosphère jusqu'aux réfrigérants chlorofluorocarbures utilisés à l'époque - les chlorofluorocarbures ont été conçus comme un " réfrigérant de sécurité " et ont servi de substitut au réfrigérant toxique. gaz tels que l'ammoniac et le dioxyde de soufre.

Bien que les HFC ne détruisent pas l'ozone, ils sont un puissant gaz à effet de serre.

"L'exemple typique de HFC que vous voyez dans un système de supermarché s'appelle R404A. Il a un GWP d'environ 3 900", a déclaré Fricke.

Le PRG est le potentiel de réchauffement global d'une molécule, ou la capacité de la molécule à agir comme un gaz à effet de serre. Par définition CO2 a un GWP de un, ce qui rend le R404A presque 4 000 fois plus puissant que le CO2.

« Par rapport aux fluides frigorigènes que nous utilisons actuellement, le CO2 est beaucoup moins un gaz à effet de serre que le R404A », a déclaré Fricke.

Dans son laboratoire, Fricke installe un système de réfrigération qui utilise uniquement du CO2. En tant que réfrigérant, le CO2 est presque idéal car il est ininflammable, non toxique, n'affecte pas l'ozone et a un faible GWP. CO2 n'est pas parfait cependant.

En raison des propriétés thermodynamiques ainsi que des pressions et températures de fonctionnement impliquées dans la réfrigération, le CO2 ne fonctionne vraiment bien que dans les climats froids, où il peut être efficacement refroidi par l'air extérieur. Dans les climats plus chauds comme le sud des États-Unis, il est plus difficile de refroidir le CO2 et plus d'énergie est nécessaire pour faire fonctionner le système de réfrigération.

Les tests menés par Fricke abordent ce problème. Une option qu'il suggère est un système en cascade, qui, en plus d'utiliser du CO2 intègre également un réfrigérant traditionnel tel que le R404A. Le R404A est efficacement refroidi par l'air extérieur chaud et peut ensuite être utilisé pour refroidir le CO2. Alors que le R404A a un grand GWP, un système en cascade le limite à une salle mécanique à l'arrière d'un supermarché où le risque de fuite est faible et où moins de R404A est requis.

« Dans les climats plus chauds, le CO2 utilise plus d'énergie, mais il n'a pas du tout l'impact environnemental des fuites de réfrigérant », a déclaré Fricke, ajoutant : « Si vous utilisez du CO2 dans le système de réfrigération, c'est du CO2 confiné dans le cycle de réfrigération et non dans l'atmosphère. C'est donc du CO2 que vous avez retiré de l'atmosphère, et cela ne contribue pas au réchauffement climatique en tant que gaz à effet de serre. »

En plus d'enquêter sur le CO2qualités de réfrigération, Fricke s'est également associé à Honeywell Inc. pour étudier un autre réfrigérant de remplacement pour le R404A qui, contrairement au CO2, pourrait être utilisé dans un système R404A. Pour ajouter un autre fouillis au mélange de noms de réfrigérants, le réfrigérant sur lequel Fricke travaille avec Honeywell est une hydrofluorooléfine, ou un HFO, appelé N40.

Les HFO ont initialement un GWP de quatre, légèrement supérieur à celui du CO2. Mais les HFO sont légèrement inflammables et nécessitent un mélange avec d'autres substances, ce qui crée un mélange de HFO et augmente le PRP à environ 1 300.

Pourtant, c'est nettement moins que le GWP du R404A de 3 900, et le N40 a l'avantage de pouvoir simplement remplacer le R404A dans le même système de réfrigération. Pour les supermarchés qui cherchent à être plus verts et qui n'ont pas les moyens d'installer un tout nouveau CO2 système, N40 peut être une alternative intéressante.

En plus d'avoir un GWP inférieur, le N40 est plus efficace que le R404A. À la suite de tests où Fricke a comparé le R404A et le N40 à différentes températures dans le même système réfrigérant, Fricke a découvert que le N40 augmentait l'efficacité du système d'environ 10 %.

"Ce serait bien d'avoir un réfrigérant qui pourrait remplacer le R404A qui aurait des performances identiques ou meilleures et aurait également un GWP inférieur. C'est l'intention du N40, de remplacer le R404A", a déclaré Fricke.

Avec l'Université du Maryland, Fricke a également contribué à la conception d'un outil logiciel appelé Life Cycle Climate Performance (LCCP). Essentiellement, le LCCP calcule le CO2 émissions équivalentes sur toute la durée de vie d'un système de réfrigération.

Le logiciel prend en compte le CO2 émissions liées à tous les aspects de la réfrigération : fabrication, transport, assemblage, maintenance, consommation d'électricité, fuite de réfrigérant, démontage, recyclage, etc. Le LCCP prend même en compte les émissions associées à la fabrication d'une pièce dans le système de réfrigération, a déclaré Fricke. En tenant compte de ces facteurs, les acheteurs peuvent prendre en compte plus facilement les facteurs environnementaux. L'objectif ultime, a déclaré Fricke, serait d'utiliser le LCCP comme outil mondial pour étudier les différences régionales en matière de réfrigération. Les États-Unis pourraient être comparés au Japon, ou l'Europe à l'Inde, a-t-il déclaré.

En fait, l'Europe pourrait établir la norme pour la réfrigération, a déclaré Fricke. Il y a déjà environ 1 300 CO2 systèmes de réfrigération dans toute l'Europe. Les États-Unis sont à la traîne avec seulement trois, un chacun dans l'Illinois, le Maine et New York. Les États-Unis devraient cependant suivre l'exemple de l'Europe, a déclaré Fricke.

"CO2 ne fera que devenir de plus en plus populaire au fil du temps », a déclaré Fricke, ajoutant : « La conservation des aliments est quelque chose d'essentiel à notre bien-être. C'est un gros consommateur d'énergie et un gros producteur de gaz à effet de serre. Je pense qu'il est important d'essayer de rendre ces systèmes plus efficaces et de produire moins d'impact environnemental."


Un gaz moléculaire est un bon absorbeur infrarouge s'il a plusieurs atomes (pas seulement 2, comme O2 et n2) ou s'il est hétéronucléaire (par exemple CO et NO). Ces types d'arrangements moléculaires permettent d'absorber plus d'énergie infrarouge car il y a plus d'états vibrationnels possibles. Oui, l'ammoniac correspond à cette description, mais il n'a pas une longue durée de vie dans l'atmosphère et il n'est pas répandu. Ainsi, même si l'ammoniac est un bon absorbeur d'infrarouges, ce n'est pas un gaz à effet de serre important.

L'ammoniac dans l'atmosphère est très réactif et se forme pour produire des nitrates et des sulfates lorsqu'il est en solution (par exemple dans les gouttelettes de nuages). Ainsi, la durée de vie atmosphérique de l'ammoniac est de courte durée, alors que la plupart des gaz à effet de serre sont de longue durée et non réactifs. Pour la discussion sur le réchauffement climatique, vous associeriez probablement l'ammoniac à un effet de refroidissement net puisque la formation accrue de particules (nuages/brume) augmente l'albédo de la Terre (qui renvoie la lumière dans l'espace).

Le facteur commun aux gaz à effet de serre est qu'ils absorbent et diffusent la lumière infrarouge.

L'effet de serre est provoqué lorsque l'énergie provenant du soleil est empêchée de s'échapper à nouveau. Le Soleil émet de la lumière principalement dans le spectre visible, avec quelques UV et infrarouges, dont la plupart sont absorbés par la Terre. Cela provoque le réchauffement de la Terre et à son tour la libération de son propre rayonnement de corps noir, qui, à la température de la surface de la Terre, est principalement infrarouge. Ce rayonnement sortant est le seul moyen pour la Terre de se refroidir, et la température stable à la surface est celle à laquelle l'énergie sortante du rayonnement du corps noir de la Terre correspond exactement à l'énergie entrante du soleil qui est absorbée (plus une quantité relativement très faible libéré du noyau terrestre).

Un gaz à effet de serre est un gaz qui permet à moins de cette lumière infrarouge de revenir dans l'espace, la réabsorbant et augmentant la température de la planète. De même, tout gaz qui bloque principalement la lumière visible ou UV a un effet de refroidissement, car il bloque plus d'énergie entrante du soleil que d'énergie sortante de la Terre.

Voici un papier avec un très beau diagramme montrant le spectre d'absorption de plusieurs gaz. Il convient de noter que la vapeur d'eau est un gaz à effet de serre encore plus puissant que le dioxyde de carbone, mais comme sa concentration dans l'atmosphère est largement affectée par la température, elle est moins préoccupante en tant que déchet que nous produisons qu'en tant que mécanisme de rétroaction positive.

Les gaz à effet de serre auront un effet tant qu'ils existeront dans l'atmosphère. Le méthane est un exemple célèbre de gaz à effet de serre avec un potentiel de réchauffement d'environ 30 fois le CO2 sur 100 ans, mais sur 20 ans a un potentiel de réchauffement 86 fois plus élevé que le CO2. La grande différence sur une longue période est due au fait que le CO2 est très stable, mais le méthane a une durée de vie dans l'atmosphère de seulement 12 ans.

L'ammoniac a une durée de vie dans l'atmosphère d'une semaine seulement. La principale raison en est la nature hautement réactive des liaisons azote-hydrogène. Ces liaisons ont tendance à être assez faibles et se trouvent généralement dans les explosifs en raison de la rapidité avec laquelle elles se décomposent. Je me suis trompé, la principale raison est que l'ammoniac est très soluble dans l'eau, il tombe donc rapidement sous la pluie et est également facilement absorbé par les plantes. Les liaisons N-H ne sont pas particulièrement faibles, mais l'azote a tendance à préférer être dans son état N2 extrêmement stable. La différence de force entre les liaisons sous ces formes est ce qui rend les composés azotés si explosifs.

Parce que l'ammoniac a une durée de vie si courte dans l'atmosphère, il a un potentiel de réchauffement global effectif de zéro, malgré l'absorption des bonnes fréquences de rayonnement infrarouge pour être autrement un gaz à effet de serre.

EDIT : Je devrais également dire puisque vous mentionnez les CFC et l'ozone dans votre question : les CFC ne sont pas préoccupants en tant que gaz à effet de serre, ils érodent la couche d'ozone. La couche d'ozone elle-même n'a pas grand-chose à voir avec l'effet de serre, mais est plutôt impliquée dans le blocage de la lumière UV qui endommage les êtres vivants de la planète (par exemple, provoque le cancer de la peau). Puisque l'ozone bloque les UV, c'est un gaz qui refroidit plutôt qu'il ne réchauffe la Terre, bien que je ne sois pas certain de la force de l'effet. J'imagine pas très bien puisque je ne l'ai jamais vu mentionné.


Quels gaz sont des gaz à effet de serre ?

Certains gaz à effet de serre se produisent naturellement et pénètrent dans l'atmosphère en raison à la fois de processus naturels (comme la décomposition de la matière organique) et d'activités humaines (comme la combustion de combustibles fossiles et l'agriculture). Les gaz à effet de serre qui se produisent à la fois naturellement et des activités humaines comprennent vapeur d'eau, dioxyde de carbone (CO2), méthane (CH4), protoxyde d'azote (N2O) et l'ozone (O3). D'autres gaz à effet de serre n'ont pratiquement aucune source naturelle, mais sont des produits secondaires de procédés industriels ou fabriqués à des fins humaines, tels que des agents de nettoyage, des réfrigérants et des isolants électriques. Ceux-ci incluent le gaz fluorés: chlorofluorocarbures (CFC), hydrochlorofluorocarbures (HCFC), hydrofluorocarbures (HCFC), bromofluorocarbures (halons), perfluorcarbures, PFC, trifluorure d'azote, NF3, et hexafluorure de soufre, SF6.

Ces gaz contribuent au réchauffement de l'atmosphère lorsqu'ils absorbent le rayonnement infrarouge émis par la Terre chauffée par le soleil et transfèrent leur énergie supplémentaire au gaz atmosphériques environnants. La figure montre que la température à la surface de la Terre a augmenté d'environ 0,9 °C au cours du siècle dernier, avec plus de la moitié du changement depuis 1980 environ. La température ne peut changer que s'il y a un changement dans le bilan énergétique de la Terre comme le équilibre entre les énergies de rayonnement entrant et sortant est contrarié.

La perturbation de l'équilibre énergétique de la Terre peut être le résultat de changements dans de nombreux facteurs, notamment l'énergie solaire, les gaz à effet de serre et la couverture nuageuse. Un changement dans l'un de ces facteurs modifie la quantité de rayonnement atteignant la surface de la Terre ou émis dans l'espace. L'effet d'un tel changement est un déséquilibre de rayonnement qui provoque le réchauffement ou le refroidissement de la surface de la Terre. La taille de ce déséquilibre pour chaque facteur qui affecte la température de surface changeante est caractérisée en termes de "forçage radiatif», c'est-à-dire la quantité par laquelle il perturbe le bilan énergétique de la Terre.

Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) définit le forçage radiatif comme la variation du flux de rayonnement net (entrant moins sortant en W·m –2 ) au sommet de la troposphère causée par un changement d'un certain facteur de forçage par rapport à son état (considéré comme le milieu du XVIIIe siècle). Une valeur de forçage radiatif positive signifie que la variation du facteur de forçage augmente l'énergie retenue par la planète et entraîne un réchauffement. Une valeur négative signifie que le changement diminue l'énergie retenue par la planète et conduit à un refroidissement. Ce résumé graphique du rapport du GIEC fournit des valeurs de forçage radiatif pour les gaz à effet de serre et d'autres facteurs avec une indication de leurs incertitudes (qui aident à montrer où d'autres études pourraient approfondir notre compréhension des variables climatiques).

Les "anomalie de température” portée sur le graphique est équivalente à la différence entre la température moyenne annuelle pour une année et la moyenne des températures pour la période de base 1951-1980. La ligne noire est la moyenne annuelle et la ligne rouge est la moyenne mobile sur cinq ans. Les barres vertes indiquent les estimations d'incertitude.


Les concentrations de dioxyde de carbone à l'intérieur sont déterminées par une combinaison de CO extérieur2, la respiration intérieure et le taux de ventilation du bâtiment. À mesure que les bâtiments et les maisons deviennent plus économes en énergie et plus étanches, cela signifie que nous avons moins d'air frais.

Bon nombre des systèmes de ventilation que nous utilisons aujourd'hui recyclent l'air pour économiser l'énergie, essentiellement en déplaçant l'air contaminé plutôt que de faire circuler de l'air neuf. Il en résulte un CO élevé2 concentrations et mauvaise qualité de l'air intérieur.


Dans quelle mesure le dioxyde de carbone provoque-t-il exactement le réchauffement climatique ?

« You Asked » est une série où les experts de l'Earth Institute répondent aux questions des lecteurs sur la science et la durabilité. Au cours des dernières années, nous avons reçu de nombreuses questions sur le dioxyde de carbone - comment il piège la chaleur, comment il peut avoir un effet aussi important s'il ne représente qu'un infime pourcentage de l'atmosphère, et plus encore. Avec l'aide de Jason Smerdon, climatologue à l'Observatoire terrestre de Lamont-Doherty de l'Université Columbia, nous répondons ici à plusieurs de ces questions.

Comment le dioxyde de carbone piège-t-il la chaleur ?

Vous avez probablement déjà lu que le dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre agissent comme une couverture ou un capuchon, emprisonnant une partie de la chaleur que la Terre aurait autrement rayonnée dans l'espace. C'est la réponse simple. Mais comment exactement certaines molécules piègent-elles la chaleur ? La réponse nécessite de plonger dans la physique et la chimie.

Diagramme simplifié montrant comment la Terre transforme la lumière du soleil en énergie infrarouge. Les gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone et le méthane absorbent l'énergie infrarouge, en réémettant une partie vers la Terre et une partie dans l'espace. Crédit: Une cravate lâche sur Wikimedia Commons

Lorsque la lumière du soleil atteint la Terre, la surface absorbe une partie de l'énergie lumineuse et la réémet sous forme d'ondes infrarouges, que nous ressentons sous forme de chaleur. (Maintenez votre main au-dessus d'un rocher sombre par une chaude journée ensoleillée et vous pourrez ressentir ce phénomène par vous-même.) Ces ondes infrarouges montent dans l'atmosphère et s'échapperont dans l'espace si elles ne sont pas entravées.

L'oxygène et l'azote n'interfèrent pas avec les ondes infrarouges dans l'atmosphère. C'est parce que les molécules sont pointilleuses sur la gamme de longueurs d'onde avec lesquelles elles interagissent, a expliqué Smerdon. Par exemple, l'oxygène et l'azote absorbent l'énergie qui a des longueurs d'onde serrées d'environ 200 nanomètres ou moins, tandis que l'énergie infrarouge se déplace à des longueurs d'onde plus larges et plus paresseuses de 700 à 1 000 000 nanomètres. Ces plages ne se chevauchent pas, donc pour l'oxygène et l'azote, c'est comme si les ondes infrarouges n'existaient même pas, elles laissaient les ondes (et la chaleur) traverser librement l'atmosphère.

Un diagramme montrant les longueurs d'onde de différents types d'énergie. L'énergie du Soleil atteint la Terre sous forme de lumière principalement visible. La Terre réémet cette énergie sous forme d'énergie infrarouge, qui a une longueur d'onde plus longue et plus lente. Alors que l'oxygène et l'azote ne répondent pas aux ondes infrarouges, les gaz à effet de serre le font. Crédit : NASA

Avec le CO2 et les autres gaz à effet de serre, c'est différent. Le dioxyde de carbone, par exemple, absorbe l'énergie à une variété de longueurs d'onde comprises entre 2 000 et 15 000 nanomètres, une plage qui chevauche celle de l'énergie infrarouge. Lorsque le CO2 absorbe cette énergie infrarouge, il vibre et réémet l'énergie infrarouge dans toutes les directions. Environ la moitié de cette énergie sort dans l'espace et environ la moitié retourne sur Terre sous forme de chaleur, contribuant à «l'effet de serre».

En mesurant les longueurs d'onde du rayonnement infrarouge qui atteint la surface, les scientifiques savent que le dioxyde de carbone, l'ozone et le méthane contribuent de manière significative à la hausse des températures mondiales. Crédit: Evans 2006 via Skeptical Science

Smerdon dit que la raison pour laquelle certaines molécules absorbent les ondes infrarouges et d'autres non "dépend de leur géométrie et de leur composition". Il a expliqué que les molécules d'oxygène et d'azote sont simples - elles sont chacune composées de seulement deux atomes du même élément - ce qui réduit leurs mouvements et la variété de longueurs d'onde avec lesquelles elles peuvent interagir. Mais les gaz à effet de serre comme le CO2 et le méthane sont constitués de trois atomes ou plus, ce qui leur donne une plus grande variété de façons de s'étirer, de se plier et de se tordre. Cela signifie qu'ils peuvent absorber une plus large gamme de longueurs d'onde, y compris les ondes infrarouges.

Comment puis-je constater par moi-même que le CO2 absorbe de la chaleur ?

À titre d'expérience pouvant être réalisée à la maison ou en classe, Smerdon recommande de remplir une bouteille de soda avec du CO2 (peut-être à partir d'une machine à soda) et de remplir une deuxième bouteille d'air ambiant. "Si vous les exposez tous les deux à une lampe chauffante, la bouteille de CO2 se réchauffera beaucoup plus que la bouteille avec juste de l'air ambiant", dit-il. Il recommande de vérifier la température des bouteilles avec un thermomètre infrarouge sans contact. Vous voudrez également vous assurer que vous utilisez le même style de bouteille pour chacun, et que les deux bouteilles reçoivent la même quantité de lumière de la lampe.

Une expérience plus difficile sur le plan logistique que Smerdon recommande consiste à placer une caméra infrarouge et une bougie aux extrémités opposées d'un tube fermé. Lorsque le tube est rempli d'air ambiant, la caméra capte clairement la chaleur infrarouge de la bougie. Mais une fois le tube rempli de dioxyde de carbone, l'image infrarouge de la flamme disparaît, car le CO2 dans le tube absorbe et diffuse la chaleur de la bougie dans toutes les directions, et donc brouille l'image de la bougie. Il y a plusieurs vidéos de l'expérience en ligne, dont celle-ci :

Pourquoi le dioxyde de carbone laisse-t-il entrer la chaleur mais pas la sortir ?

L'énergie entre dans notre atmosphère sous forme de lumière visible, alors qu'elle essaie de sortir sous forme d'énergie infrarouge. En d'autres termes, "l'énergie entrant dans notre planète depuis le Soleil arrive comme une monnaie et elle repart dans une autre", a déclaré Smerdon.

Les molécules de CO2 n'interagissent pas vraiment avec les longueurs d'onde de la lumière du soleil. Ce n'est qu'après que la Terre a absorbé la lumière du soleil et réémet l'énergie sous forme d'ondes infrarouges que le CO2 et d'autres gaz à effet de serre peuvent absorber l'énergie.

Comment le CO2 peut-il piéger autant de chaleur s'il ne représente que 0,04 % de l'atmosphère ? Les molécules ne sont-elles pas trop espacées ?

Avant que les humains ne commencent à brûler des combustibles fossiles, les gaz à effet de serre naturels contribuaient à rendre le climat de la Terre habitable. Sans eux, la température moyenne de la planète serait en dessous de zéro. Nous savons donc que même des niveaux naturels très faibles de dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre peuvent faire une énorme différence dans le climat de la Terre.

Aujourd'hui, les niveaux de CO2 sont plus élevés qu'ils ne l'ont été depuis au moins 3 millions d'années. Et bien qu'ils ne représentent toujours que 0,04 % de l'atmosphère, cela représente encore des milliards et des milliards de tonnes de gaz piégeant la chaleur. Par exemple, rien qu'en 2019, les humains ont déversé 36,44 milliards de tonnes de CO2 dans l'atmosphère, où il persistera pendant des centaines d'années. Il y a donc beaucoup de molécules de CO2 pour fournir une couverture de piégeage de la chaleur à travers toute l'atmosphère.

De plus, « des traces d'une substance peuvent avoir un impact important sur un système », explique Smerdon. Empruntant une analogie au professeur de météorologie de Penn State, David Titley, Smerdon a déclaré que «si quelqu'un de ma taille boit deux bières, mon taux d'alcoolémie sera d'environ 0,04 pour cent. C'est juste quand le corps humain commence à ressentir les effets de l'alcool. Les conducteurs commerciaux avec un taux d'alcoolémie de 0,04 % peuvent être condamnés pour conduite avec facultés affaiblies.

« De même, il ne faut pas tant de cyanure pour empoisonner une personne », ajoute Smerdon. "Cela a à voir avec la façon dont cette substance spécifique interagit avec le système plus large et ce qu'elle fait pour influencer ce système."

Dans le cas des gaz à effet de serre, la température de la planète est un équilibre entre la quantité d'énergie entrante et la quantité d'énergie sortante. En fin de compte, toute augmentation de la quantité de piégeage de chaleur signifie que la surface de la Terre devient plus chaude. (Pour une discussion plus avancée sur la thermodynamique impliquée, consultez cette page de la NASA.)

S'il y a plus d'eau que de CO2 dans l'atmosphère, comment savons-nous que l'eau n'est pas responsable du changement climatique ?

L'eau est en effet un gaz à effet de serre. Il absorbe et réémet le rayonnement infrarouge, et rend ainsi la planète plus chaude. Cependant, Smerdon dit que la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère est une conséquence du réchauffement plutôt qu'une force motrice, car l'air plus chaud retient plus d'eau.

« Nous le savons à un niveau saisonnier », explique-t-il. "Il fait généralement plus sec en hiver lorsque notre atmosphère locale est plus froide, et il est plus humide en été lorsqu'il fait plus chaud."

À mesure que le dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre réchauffent la planète, davantage d'eau s'évapore dans l'atmosphère, ce qui augmente encore la température. Cependant, un méchant hypothétique ne serait pas en mesure d'exacerber le changement climatique en essayant de pomper plus de vapeur d'eau dans l'atmosphère, explique Smerdon. "Il pleuvrait tout parce que la température détermine la quantité d'humidité qui peut réellement être retenue par l'atmosphère."

De même, cela n'a aucun sens d'essayer d'éliminer la vapeur d'eau de l'atmosphère, car l'évaporation naturelle des plantes et des plans d'eau due à la température la remplacerait immédiatement. Pour réduire la vapeur d'eau dans l'atmosphère, nous devons abaisser les températures mondiales en réduisant les autres gaz à effet de serre.

Si Vénus a une atmosphère à 95 % de CO2, ne devrait-elle pas être beaucoup plus chaude que la Terre ?

D'épais nuages ​​d'acide sulfurique entourent Vénus et empêchent 75 % de la lumière solaire d'atteindre la surface de la planète. Sans ces nuages, Vénus serait encore plus chaude qu'elle ne l'est déjà. Crédit : NASA

La concentration de CO2 dans l'atmosphère de Vénus est environ 2 400 fois supérieure à celle de la Terre. Pourtant, la température moyenne de Vénus n'est qu'environ 15 fois plus élevée. Ce qui donne?

Chose intéressante, une partie de la réponse a à voir avec la vapeur d'eau. Selon Smerdon, les scientifiques pensent qu'il y a longtemps, Vénus a connu un effet de serre incontrôlable qui a fait bouillir presque toute l'eau de la planète - et la vapeur d'eau, rappelez-vous, est également un gaz qui piège la chaleur.

"Il n'y a pas de vapeur d'eau dans son atmosphère, ce qui est un facteur important", explique Smerdon. "Et puis l'autre facteur important est que Vénus a tous ces nuages ​​​​d'acide sulfurique fous."

Haut dans l'atmosphère de Vénus, a-t-il expliqué, les nuages ​​​​d'acide sulfurique bloquent environ 75% de la lumière solaire entrante. Cela signifie que la grande majorité de la lumière du soleil n'a jamais la chance d'atteindre la surface de la planète, de retourner dans l'atmosphère sous forme d'énergie infrarouge et d'être piégée par tout ce CO2 dans l'atmosphère.

Les plantes, l'océan et le sol n'absorberont-ils pas tout l'excès de CO2 ?

Finalement… dans plusieurs milliers d'années environ.

Les plantes, les océans et le sol sont des puits de carbone naturels - ils éliminent une partie du dioxyde de carbone de l'atmosphère et le stockent sous terre, sous l'eau ou dans les racines et les troncs d'arbres. Sans l'activité humaine, les grandes quantités de carbone dans les gisements de charbon, de pétrole et de gaz naturel seraient restées stockées sous terre et pour la plupart séparées du reste du cycle du carbone. Mais en brûlant ces combustibles fossiles, les humains ajoutent beaucoup plus de carbone dans l'atmosphère et l'océan, et les puits de carbone ne fonctionnent pas assez vite pour nettoyer notre gâchis.

Un schéma simplifié montrant le cycle du carbone. Crédit : Jack Cook/Institut océanographique de Woods Hole

C'est comme arroser votre jardin avec une lance à incendie. Even though plants absorb water, they can only do so at a set rate, and if you keep running the firehose, your yard is going to flood. Currently our atmosphere and ocean are flooded with CO2, and we can see that the carbon sinks can’t keep up because the concentrations of CO2 in the atmosphere and oceans are rising quickly.

The amount of carbon dioxide in the atmosphere (raspberry line) has increased along with human emissions (blue line) since the start of the Industrial Revolution in 1750. Credit: NOAA Climate.gov

Unfortunately, we don’t have thousands of years to wait for nature to absorb the flood of CO2. By then, billions of people would have suffered and died from the impacts of climate change there would be mass extinctions, and our beautiful planet would become unrecognizable. We can avoid much of that damage and suffering through a combination of decarbonizing our energy supply, pulling CO2 out the atmosphere, and developing more sustainable ways of thriving.


Trapping methods

Post-combustion
In the post-combustion method, CO2 is separated from the flue gas of the power station by bubbling the gas through an absorber column packed with liquid solvents (such as ammonia) that preferentially take out the CO2. In the most commonly-used techniques, once the chemicals in the absorber column become saturated, a stream of superheated steam at around 120C is passed through it. This releases the trapped CO2, which can then be transported for storage elsewhere.

More experimental techniques to scrub CO2 from flue gas without the two-step process include using seawater to absorb the gas and then returning the mixture back to the ocean for long-term storage. But, so far, these methods have proved less efficient and reliable.

Oxyfuel
When coal, oil or natural gas is burned in normal air, the amount of CO2 produced is between 3-15% of the waste gases, depending on the conditions. Separating the greenhouse gas out after combustion requires energy so an alternative CCS method is to burn the fossil fuel in an atmosphere of pure oxygen. In this environment, virtually all the waste gas will be composed CO2 and water vapour. The latter can be condensed out while the former can be piped or transported directly to a storage facility.

In the oxyfuel system, the air fed into the boiler has to be separated into liquid oxygen, gaseous nitrogen, argon and other trace gases and this process can use up to 15% of the power produced at the station.

Pre-combustion
This method is normally applied to coal-gasification combined cycle power plants. The coal is gasified to produce a synthetic gas made from carbon monoxide and hydrogen. The former is reacted with water to produce CO2, which is captured, and more hydrogen. The hydrogen can be diverted to a turbine where it can be burned to produce electricity. Alternatively, some of this gas can be bled off to feed hydrogen fuel cells for cars.

One disadvantage of the pre-combustion method is that it cannot be retro-fitted to the older pulversised coal power plants that make up much of the world's installed base of fossil fuel power. It could perhaps be used in natural gas stations, where a synthetic gas is first produced by reacting the methane with steam to produce carbon dioxide and hydrogen. But the economic advantage of this method over post-combustion is yet to be proven.


Table 5.3. United States Agricultural Lands by Sector and Percentage of Cropland Reportedly Managed with Conservation Practice and Distribution of Crops and Managements a

Land Acreage (Million Hectares) No Till (%) b Other Conservation Tillage (%) Cover Crop Conservation Easement
Total Agricultural Lands 2012 370.1
Cropland c 157.7 24 19.67 2.41 3.38
Pastures 49 NA d
Rangeland (Includes Federal and Nonfederal Lands) 246.7
Conservation Reserve Program 1.5
Crop Acreage (Million Hectares) Percentage of Cropland Managed Under No Till or Strip Till (%) e
Maïs 38.3 24.3 31
Soja 30.8 19.5 46
Wheat 19.8 12.6 33
Coton 3.8 2.4 43
Sorgho 1.1 1.6 N / A
Riz 1.1 0.7 N / A
Hay f 22.8 14.4 N / A

Remarques
a The percentage of no-tilled land does not imply that these lands are managed in a long-term, no-till system.
b Duration of no-till practice is not available this value does not necessarily reflect a continuous practice.
c USDA-NASS (2012).
d Not applicable.
e Wade et al. (2015).
f USDA-NRCS (2015).

Similar to these trends in North America, global GHG emissions from large ruminants, such as beef and dairy cattle, are about seven times greater than emissions from swine or poultry (Gerber et al., 2012). Dairy production systems, however, are considerably more efficient than beef systems. As an example, Eshel et al. (2014) estimated, using a full life cycle assessment, that GHG emissions per ­human-edible megacalorie (MCal) were 9.6 kg CO2e for beef versus 2 for pork, 1.71 for poultry, and 1.85 for dairy. Similarly, GHG emissions per kg of human-edible protein were 214 kg CO2e for beef, 42 for pork, 20 for poultry, and 32 for dairy (Eshel et al., 2014).

U.S. cattle inventories have fluctuated during the last several decades from a peak of over 130 million heads (both beef and dairy) in the 1970s to a low of 88.5 million in 2014. Cattle numbers increased to 89 million in 2015 and an estimated 92 million in 2016 (USDA-NASS 2016). According to the 2016 inventory, there were 30.3 million beef cows, 9.3 million dairy cows, 19.8 million heifers weighing 227 kg or more, 16.3 million steers at 227 kg or more, 14 million calves under 227 kg, and 2.1 million bulls. Beef and dairy cows, because of their high feed consumption and higher-fiber diets, are the largest emitters of enteric CH4, producing about 95 and 146 kg CH4 per head per year, respectively emissions from feedlot cattle fed high-grain diets are considerably less at 43 kg per year per head (U.S. EPA 2018). Increased cattle productivity has resulted in increased feed efficiency and decreased enteric CH4 emission intensity (i.e., CH4 emitted per unit of milk or meat). As an example, the estimated CH4 emission intensity for the U.S. dairy herd has decreased from 31 g per kg milk in 1924 to 14 g per kg in 2015 (Global Research Alliance on Agricultural Greenhouse Gases 2015).

Cattle inventories in Canada have fluctuated annually, but long-term trends are relatively stable—about 12 million heads in January 2016, down slightly from a peak in 2005 (Statistics Canada 2016). Beef cattle account for more than 80% of these animals. In recent decades, improvements in management efficiency have led to a decline in GHG emissions per unit of livestock product. For example, estimated emissions per kilogram of liveweight beef leaving the farm declined from 14 kg CO2e in 1981 to 12 kg CO2e in 2011 (Legesse et al., 2016).

U.S. beef consumption has been declining steadily over the past decade (see Figure 5.3) while consumption of dairy products has been increasing (see Figure 5.4). The previously mentioned life cycle assessment analyses that found greater carbon efficiency of dairy versus beef suggest that this trend should translate to lower emissions from the livestock sector. Most of the beef and veal consumed in the United States was domestically produced (about 86% in 2015 18.6% of imported beef was from Canada), while about 9.6% of beef produced in the United States in 2015 was exported to other countries. Fluid milk consumption per capita has been decreasing—from about 89 kg per year in 2000 to 71 kg per year in 2015, while consumption of cheese, butter, and yogurt, most of which is domestically produced, has been steadily increasing. As in the United States, per capita consumption of livestock products in Canada also has declined in recent decades. For example, beef and fluid milk consumption decreased from 39 kg of beef per capita in 1980 to 24 kg in 2015 (Agriculture and Agri-Food Canada 2016) and from 90 liters of fluid milk per capita in 1996 to 71 liters in 2015 (Government of Canada 2016).


Effects of greenhouse gases

Greenhouse gases have far-ranging environmental and health effects. They cause climate change by trapping heat, and they also contribute to respiratory disease from smog and air pollution. Extreme weather, food supply disruptions, and increased wildfires are other effects of climate change caused by greenhouse gases. The typical weather patterns we've grown to expect will change some species will disappear others will migrate or grow. (Read more about greenhouse gas effects via climate change here.)


Voir la vidéo: Quest-ce que le dioxyde de carbone? (Novembre 2021).