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Aérosols et leurs effets sur le climat

Les aérosols sont de petites particules présentes dans l’atmosphère provenant de processus naturels et des émissions de polluants atmosphériques résultant des activités humaines (par exemple, la combustion de combustibles fossiles). Les aérosols peuvent affecter le climat en réfléchissant ou en absorbant la chaleur et la lumière du soleil et en influençant la formation des nuages. Dans cet article, découvrez l’impact des aérosols sur le climat et les tendances récentes des concentrations d’aérosols dans l’atmosphère.

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10 minutes

Messages clés

  • Les aérosols sont de petites particules présentes dans l’atmosphère et provenant de processus naturels et des émissions de polluants atmosphériques résultant des activités humaines.  
  • Les aérosols de couleur foncée absorbent la lumière du soleil, ce qui entraîne un réchauffement de l’atmosphère. Les aérosols de couleur claire réfléchissent la lumière du soleil, ce qui entraîne un refroidissement de l’atmosphère. Dans l’ensemble, les aérosols ont un effet refroidissant sur l’atmosphère terrestre. 
  • Les aérosols influencent la formation des nuages en fournissant une surface sur laquelle la vapeur d’eau peut se condenser.  
  • Les nuages influencent le climat par le biais des précipitations et de l’absorption et la réflexion de la lumière du soleil. Bien qu’ils contribuent à la formation des nuages, les aérosols peuvent empêcher les précipitations. 
  • Depuis l’ère industrielle, les concentrations élevées d’aérosols provenant des émissions de polluants atmosphériques d’origine humaine ont partiellement masqué le réchauffement dû aux gaz à effet de serre. 
  • Les efforts déployés pour réduire les émissions de polluants atmosphériques afin de protéger la santé humaine et celle des écosystèmes ont permis de réduire la concentration d’aérosols. Cette diminution, combinée aux changements climatiques en cours, a contribué au réchauffement rapide de l’atmosphère observé ces dernières années. 

Introduction – que sont les aérosols ?

 

Les aérosols sont de petites particules présentes dans l’atmosphère, d’origine naturelle ou humaine. Les aérosols peuvent influencer le climat en interagissant directement avec le rayonnement solaire (énergie sous forme de lumière solaire) (encadré 1) et en jouant un rôle dans la formation des nuages et des précipitations. L’influence d’un aérosol donné sur le climat dépend de sa composition, sa couleur, sa taille et de son emplacement dans l’atmosphère (c’est-à-dire de sa position verticale et s’il se trouve au-dessus de la terre ou de l’océan)1. 

Les aérosols d’origine naturelle comprennent la poussière, la fumée des feux de forêt, les émissions volcaniques (cendres et sulfates) et les embruns2. Les aérosols d’origine humaine résultent de l’activité industrielle et de la combustion de combustibles fossiles et de bois. Deux types d‘aérosols ont une influence notable sur le climat: le carbone noir et les aérosols sulfatés. Le carbone noir est produit lors de la combustion du charbon, du gaz et du bois. Les aérosols contenant du carbone noir ont tendance à être sombres. Les aérosols de sulfate sont émis lors des éruptions volcaniques (encadré 2), de la combustion de combustibles fossiles et des processus industriels tels que la fusion. Ces aérosols ont tendance à être de couleur claire. Les aérosols de couleur foncée absorbent le rayonnement, ce qui entraîne un réchauffement de l’atmosphère; les aérosols de couleur claire réfléchissent le rayonnement, ce qui entraîne un refroidissement de l’atmosphère. Les aérosols sombres peuvent également provoquer un réchauffement supplémentaire lorsqu’ils se déposent sur la neige et la glace, car ils assombrissent la surface, ce qui entraîne l’absorption d’une plus grande quantité de rayonnement sur ces surfaces par ailleurs réfléchissantes. 

La durée de séjour des aérosols dans l’atmosphère est connue sous le nom de temps de résidence. Contrairement aux gaz à effet de serre, qui restent généralement dans l’atmosphère pendant des décennies3, le temps de résidence des aérosols est généralement compris entre 2 et 30 jours, avec des temps de résidence plus courts en cas de pluie et plus longs en cas de sécheresse. Les aérosols volcaniques sont l’exception; ils sont généralement émis à haute altitude dans l’atmosphère et, par conséquent, ont des temps de résidence beaucoup plus longs (encadré 2). Étant donné que la plupart des aérosols ont des temps de résidence courts, les concentrations de ces particules sont les plus élevées autour des sources d’émission. Ainsi, les effets des aérosols sur le climat se limitent généralement à des échelles locales ou régionales. 

Comprendre en profondeur l’impact des aérosols sur le climat : effets sur la lumière solaire, précipitations et nuages

 

Les aérosols influencent le climat en réfléchissant et en absorbant le rayonnement et en jouant un rôle dans la formation des nuages et l’apparition des précipitations. La lumière du soleil (rayonnement solaire) est la principale source d’énergie sur Terre (figure 1 et encadré 1), donc tout ce qui modifie la quantité de lumière solaire réfléchie ou absorbée par la Terre aura une incidence sur le climat.  

Figure 1 : Composantes du bilan radiatif de la Terre (équilibre entre le rayonnement entrant et le rayonnement sortant) [Source: NASA]. Voir l’encadré 1 pour plus de détails. 

Encadré 1: Le bilan radiatif de la Terre

La lumière du soleil est une forme d’énergie connue sous le nom de rayonnement. Lorsque l’énergie solaire (sous forme de rayonnement ultraviolet à courte longueur d’onde, jaune dans la figure 1) pénètre dans l’atmosphère, une partie est renvoyée vers l’espace, une autre est absorbée par l’atmosphère et une autre est absorbée par la surface de la Terre (terres émergées et océans). La Terre et l’atmosphère réémettent une partie de l’énergie absorbée (orange dans la figure 1) sous forme de rayonnement infrarouge à longue longueur d’onde, dont une partie retourne dans l’espace et l’autre est réfléchie vers la surface de la Terre. En outre, une partie du rayonnement à longue longueur d’onde est absorbée par l’atmosphère, ce qui entraîne un réchauffement atmosphérique (figure 1). Lorsque le rayonnement est réfléchi vers l’espace, la quantité d’énergie qui atteint la surface de la Terre est réduite, ce qui a pour effet de la refroidir (nuage le plus à gauche de la figure 1).  

Les nuages jouent un rôle important dans le bilan énergétique de la Terre. Les nuages de basse altitude sont généralement épais et réfléchissent donc le rayonnement incident vers l’espace, entraînant un effet de refroidissement. Les nuages situés à plus haute altitude ont tendance à être fins, ce qui permet au rayonnement d’atteindre la surface de la Terre. Ces nuages ont également tendance à absorber la chaleur de l’atmosphère et de la surface terrestre, ce qui contribue à leur effet de réchauffement. En moyenne, les nuages réfléchissent plus de rayonnement incident qu’ils n’emprisonnent d’énergie sortante, ce qui entraîne un effet de refroidissement global4. 

La réflexion et l’absorption du rayonnement par les aérosols sont influencées par la couleur de la surface de l’aérosol, la composition chimique de l’aérosol, et la présence et le type de nuages5. La présence d’aérosols, associée au réchauffement ou au refroidissement de l’atmosphère, peut modifier l’endroit où les nuages se forment voire empêcher leur formation. Les aérosols modifient également les propriétés des nuages et affectent les précipitations.  

Les aérosols agissent comme des « graines » pour la formation des nuages. Il est difficile pour l’eau de se condenser en gouttelettes, mais en présence d’une particule de semence l’humidité peut se condenser sur la particule, ce qui permet la formation de nuages. Lorsque la concentration d’aérosols augmente, il y a plus de petites gouttelettes de nuages pour la même quantité d’eau. Des gouttelettes plus petites rendent les nuages plus brillants et plus réfléchissants, ce qui renforce le refroidissement de l’atmosphère5, 6. 

Les aérosols affectent les précipitations en influençant l’absorption et la réflexion du rayonnement, et par le biais de la formation de nuages. L’effet des aérosols sur les précipitations est un domaine de recherche actif, avec un consensus scientifique général selon lequel les aérosols ont tendance à diminuer les précipitations mondiales7. Généralement, les aérosols présents dans l’atmosphère diminuent la quantité de rayonnement atteignant la surface de la Terre, ce qui réduit l’énergie disponible pour l’évaporation de l’humidité et de l’eau de surface, réduisant ainsi les précipitations7. Comme indiqué précédemment, lorsqu’il y a plus d’aérosols, les gouttelettes des nuages ont tendance à être plus petites5,7,9. Les gouttelettes plus petites mettent plus de temps pour atteindre une taille telle qu’elles tombent sous forme de précipitations. En outre, elles s’évaporent plus facilement, ce qui donne des nuages plus petits dont la durée de vie est plus courte que celle des nuages plus gros. Pour ces raisons, la quantité de précipitations provenant des nuages est réduite lorsqu’il y a plus d’aérosols5.  

Bien qu’une plus grande quantité d’aérosols entraîne généralement une réduction des précipitations, il est important de noter que les aérosols varient dans leurs propriétés radiatives et leur capacité à servir de noyaux de condensation7. Ainsi, dans certaines situations, les aérosols peuvent augmenter les précipitations, en particulier à l’échelle régionale7,10.   

Encadré 2: Aérosols volcaniques

Les aérosols émis par les volcans ont des impacts climatiques différents de ceux des aérosols émis par d‘autres sources, car ils peuvent avoir des temps de résidence plus longs dans l’atmosphère. Lorsque les volcans entrent en éruption, ils injectent des cendres et des aérosols de sulfate dans l’atmosphère. Les cendres peuvent rester dans l’atmosphère jusqu’à quelques mois, masquant la lumière du soleil et provoquant un refroidissement avant d’être lavées par la pluie. Si une éruption est particulièrement puissante, les cendres et les aérosols peuvent atteindre la stratosphère, la couche de l’atmosphère située entre 10 et 50 km au-dessus de la surface de la Terre. Dans cette couche, les aérosols sulfatés ont un temps de résidence beaucoup plus long et parcourent de grandes distances, souvent autour du globe, réfléchissant la lumière du soleil et provoquant un refroidissement. La longue durée de présence des aérosols de sulfate dans la haute atmosphère est la raison pour laquelle les grandes éruptions volcaniques peuvent provoquer un refroidissement global dans les années qui suivent l‘événement. Plusieurs éruptions volcaniques majeures sont indiquées en bleu sur la figure 2. De plus amples informations sur les aérosols volcaniques et leurs impacts sur le climat sont disponibles sur le site de l’US Geological Survey.  


Figure 2: Température moyenne annuelle de la terre de 1750 à 2024 avec les principales éruptions volcaniques identifiées. [Source des données: Berkeley Earth; source de la figure: Ruth Moore, Environnement et Changement climatique Canada].

Les aérosols polluants nuisent à la santé humaine et à l’environnement

 

Dans l’ensemble, les aérosols ont un effet refroidissant sur le climat, car ils reflètent principalement la lumière du soleil et augmentent la réflectivité des nuages. Depuis l’ère industrielle, les fortes concentrations d’aérosols dues aux émissions de polluants atmosphériques d’origine humaine ont masqué une partie du réchauffement causé par les gaz à effet de serre. Les efforts déployés pour réduire les émissions de polluants atmosphériques afin de protéger la santé de l’homme et des écosystèmes ont permis de diminuer les concentrations d’aérosols dans l’atmosphère11. Par conséquent, une partie du réchauffement climatique récent peut être attribuée à la réduction des aérosols11,12. Étant donné que les émissions humaines d’aérosols provoquent le smog et les pluies acides, qui ont des effets néfastes sur l’environnement et la santé humaine, il est important de continuer à réduire les émissions d’aérosols parallèlement aux efforts de réduction des émissions de gaz à effet de serre. 

Références

  1. NASA. Aerosols and Their Importance. Accessed on 2024-04-27. Available at: https://earth.gsfc.nasa.gov/climate/data/deep-blue/aerosols  

  2. Hamilton, D. S. (2015). Natural aerosols and climate: understanding the unpolluted atmosphere to better understand the impacts of pollution. Weather, 70(9), 264-268. https://doi.org/10.1002/wea.2540 
  3. NASA. Major Greenhouse Gas Sources, Lifespans, and Possible Added Heat. Accessed on 2024-08-30. Available at: https://science.nasa.gov/resource/graphic-major-greenhouse-gas-sources-lifespans-and-possible-added-heat/ 
  4. Forster, P.; Storelvmo, T.; Armour, K.; Collins, W.; Dufresne, J.-L.; Frame, D.; Lunt, D.J.; Mauritsen, T.; Watanabe, M.; Wild, M.; Zhang, H. (2021). Masson-Delmotte, V.; Zhai, P.; Pirani, A.; Connors, S. L.; Péan, C.; Berger, S.; Caud, N.; Chen, Y.; Goldfarb, L. (eds.). Chapter 7: The Earth’s Energy Budget, Climate Feedbacks, and Climate Sensitivity (PDF). Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Report). Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, US. pp. 923–1054. doi:10.1017/9781009157896.009. 
  5.  Myhre, G., Myhre, C. E.L., Samset, B. H. & Storelvmo, T. (2013) Aerosols and their Relation to Global Climate and Climate Sensitivity. Nature Education Knowledge 4(5):7 
  6.  Twomey, S. (1977). The influence of pollution on the shortwave albedo of clouds. Journal of the Atmospheric Sciences, 34(7), 1149-1152. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1977)034<1149:TIOPOT>2.0.CO;2 
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  8.  Koren, I., Kaufman, Y. J., Remer, L. A., & Martins, J. V. (2004). Measurement of the effect of Amazon smoke on inhibition of cloud formation. Science, 303(5662), 1342-1345. https://doi.org/10.1126/science.1089424 
  9.  Ramanathan, V. C. P. J., Crutzen, P. J., Kiehl, J. T., & Rosenfeld, D. (2001). Aerosols, climate, and the hydrological cycle. science, 294(5549), 2119-2124. https://doi.org/10.1126/science.1064034 
  10. Rosenfeld, D., Lohmann, U., Raga, G.B., O’Dowd, C.D., Kulmala, M., Fuzzi, S., Reissell, A. and Andreae, M.O. (2008). Flood or drought: how do aerosols affect precipitation?. science, 321(5894), 1309-1313. https://doi.org/10.1126/science.1160606 
  11. Yale E360 (Yale School of the Environment). Pollution Paradox: How Cleaning Up Smog Drives Ocean Warming. Accessed on 2024-09-04. Available at: https://e360.yale.edu/features/aerosols-warming-climate-change 
  12. Wang, H., Zheng, X.T., Cai, W., Han, Z.W., Xie, S.P., Kang, S.M., Geng, Y.F., Liu, F., Wang, C.Y., Wu, Y. and Xiang, B. (2024). Atmosphere teleconnections from abatement of China aerosol emissions exacerbate Northeast Pacific warm blob events. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(21), e2313797121. https://doi.org/10.1073/pnas.2313797121 

[Figure 1] NASA. Earth’s energy budget. Accessed on 2024-10-30. Available at: https://mynasadata.larc.nasa.gov/basic-page/earths-energy-budget  

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