Notre atmosphère est composée essentiellement d’azote (largement prépondérant : 78 %) et d’oxygène (21 %). Ces gaz sont transparents à la lumière solaire et au rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre. Ils n’ont donc pas d’influence directe sur le bilan radiatif de la Terre. Les autres gaz de notre atmosphère semblent négligeables en proportion, mais ont une influence beaucoup plus directe sur l’histoire du climat. En effet, si notre atmosphère ne comportait pas de gaz à effet de serre – compte tenu de sa distance par rapport au Soleil et de son albédo –, sa température de surface serait de -18 °C, c’est-à-dire gelée, alors qu’elle est d’environ 15 °C grâce à l’effet de serre. La vapeur d’eau en est l’acteur principal, avec d’autres gaz comme le dioxyde de carbone, le méthane ou l’oxyde nitreux, pourtant négligeables en volume. On les mesure à l’aide d’une unité appropriée à leur très faible concentration dans l’atmosphère : ppm .
Toutes ces molécules, l’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4), qui possèdent trois ou cinq atomes, peuvent absorber le rayonnement infrarouge produit par la Terre. Ce rayonnement est ensuite réémis dans toutes les directions, y compris vers la terre. Piégé, il réchauffe une seconde fois la surface du sol et les basses couches de l’atmosphère. Un phénomène baptisé « effet de serre » par analogie avec une serre, même si les phénomènes physiques sont très différents, une serre agricole fonctionnant pour l’essentiel en piégeant l’air chaud. Lorsque l’effet de serre augmente, comme actuellement, on observe un réchauffement des basses couches de l’atmosphère et un refroidissement de la stratosphère puisqu’elle reçoit moins de rayonnements infrarouges. C’est une signature climatique de l’intensification de l’effet de serre aujourd’hui très bien observée. Cette amplification de l’écart de température entre basse atmosphère et stratosphère prouve d’ailleurs que le réchauffement en cours est lié à l’augmentation de l’effet de serre et non aux variations de la luminosité solaire qui ne peuvent provoquer ce phénomène.
Tous les gaz à effet de serre ne sont pas équivalents et se caractérisent par leur efficacité très différente. La vapeur d’eau, malgré sa présence plus massive, est un piètre gaz à effet de serre comparé au CO2 qui est lui-même plus abondant, mais beaucoup moins efficace que le méthane. Cependant, l’efficacité n’est pas seulement instantanée : plus le temps de résidence dans l’atmosphère de ces gaz est long et plus leur effet de serre est efficace. De ce point de vue, le CO2, avec un temps de résidence de plusieurs centaines d’années, est bien plus efficace que le méthane qui s’oxyde en CO2 en moins de dix ans. La perturbation de notre climat vient du fait que ces composants augmentent très vite dans l’atmosphère : le CO2, essentiellement à cause de la combustion des ressources fossiles, le méthane et le protoxyde d’azote (N2O), du fait de l’agriculture intensive. Ils provoquent un réchauffement de la surface du globe, puis des profondeurs océaniques, et font fondre une partie de la cryosphère.
