RealClimate : Le problème du CO2 en six étapes faciles (Mise à jour 2022)

10 juil. 2022 par Gavin

L'un de nos anciens articles les plus lus est l'explication étape par étape des raisons pour lesquelles l'augmentation du CO2 est un problème important (Le problème du CO2 en 6 étapes faciles). Cependant, cela a été écrit en 2007 – il y a 15 ans ! Bien que les étapes et les concepts de base n'aient pas changé, il y a 15 ans de données supplémentaires, des mises à jour de certains détails et concepts et (il s'avère) de meilleurs graphiques pour accompagner le texte. Et donc, voici une version légèrement mise à jour et référencée qui devrait être un peu plus utile.

Étape 1:Il y a un effet de serre naturel.

Le fait qu'il existe un effet de serre naturel (que l'atmosphère limite le passage du rayonnement infrarouge (IR) de la surface de la Terre vers l'espace) est facilement déductible de ; i) la température moyenne de la surface (autour de 15ºC) et, ii) sachant que la planète est normalement proche de l'équilibre radiatif. Cela signifie qu'il y a un flux de surface vers le haut d'IR autour de (~398 W/m2), tandis que le flux vers l'extérieur au sommet de l'atmosphère (TOA) est à peu près équivalent au rayonnement solaire net absorbé (~240 W/m2). Ainsi, il doit y avoir une grande quantité d'IR absorbée par l'atmosphère (environ 158 W/m2) – un nombre qui serait nul en l'absence de toute substance à effet de serre. Notez que ce rayonnement IR est parfois appelé rayonnement à ondes longues (LW) pour le distinguer du rayonnement à ondes courtes (SW) provenant du soleil.

Étape 2:Les gaz traces contribuent à l'effet de serre naturel.

Le fait que différents absorbeurs contribuent à l'absorption infrarouge atmosphérique ressort clairement des spectres observés depuis l'espace (à droite) qui montrent des lacunes caractéristiques associées à la vapeur d'eau, au CO2, à l'O3, aux nuages, au méthane, aux CFC, etc. La seule question est de savoir combien d'énergie totale est bloquée par chacun. Cela ne peut pas être calculé à la main (le nombre de raies d'absorption et les effets de l'élargissement de la pression l'empêchent), mais cela peut être calculé à l'aide de codes de transfert radiatif. Pour certaines parties du spectre, l'IR peut être soit absorbé par le CO2, soit par la vapeur d'eau, soit par les nuages, mais en tenant compte de ces chevauchements, nous constatons que 50 % de l'effet de serre provient de la vapeur d'eau, 25 % des nuages ​​et environ 20 % du CO2 et le reste est absorbé par l'ozone, les aérosols et d'autres gaz traces (Schmidt et al, 2010). Notez que les principaux constituants de l'atmosphère (N2, O2 et Argon) n'absorbent pas de manière significative dans la gamme de longueurs d'onde IR et ne contribuent donc pas à l'effet de serre.

Étape 3:Les traces de gaz à effet de serre ont considérablement augmenté en raison des émissions humaines

Les concentrations de CO2 ont augmenté de plus de 50 % depuis l'ère préindustrielle, le méthane (CH4) a plus que doublé et accélère à nouveau, le N2O a augmenté de 15 % et l'O3 troposphérique a également augmenté. De nouveaux composés de gaz à effet de serre tels que les halocarbures (CFC, HFC) n'existaient pas dans l'atmosphère préindustrielle. Toutes ces augmentations contribuent à un effet de serre accru.

Les sources de ces augmentations sont dominées par la combustion de combustibles fossiles, les décharges, les exploitations minières, pétrolières et gazières, l'agriculture (en particulier l'élevage pour le méthane) et l'industrie.

Étape 4:Le forçage radiatif est un diagnostic utile et peut facilement être calculé

Les leçons tirées de modèles de jouets simples et l'expérience avec des GCM plus sophistiqués suggèrent que toute perturbation du bilan de rayonnement TOA, quelle qu'en soit la source, est un assez bon prédicteur d'un éventuel changement de température de surface. Ainsi, si le soleil devenait plus fort d'environ 2 %, le bilan radiatif TOA changerait de 0,02*1361*0,7/4 = 4,8 W/m2 (en tenant compte de l'albédo et de la géométrie) (plus d'énergie entrerait qu'il n'en sortait). Cela définirait le forçage radiatif (RF). Une augmentation des absorbeurs de gaz à effet de serre, ou une modification de l'albédo, ont des impacts analogues sur le bilan TOA (plus d'énergie entrerait qu'en sortirait). Cependant, le calcul du forçage radiatif est encore une tâche pour les codes de transfert radiatif qui prennent en compte les profils atmosphériques de température, de vapeur d'eau et d'aérosols. Le rapport AR6 du GIEC a utilisé les estimations les plus récentes d'Etminan et al (2016) qui sont similaires mais légèrement plus compliquées que la formule simplifiée et souvent utilisée pour le CO2 : RF = 5,35 ln(CO2/CO2_orig) (voir le tableau 6.2 du TRE du GIEC).

Notez que la forme logarithmique pour le CO2 RF vient du fait que certaines longueurs d'onde particulières sont déjà saturées et que l'augmentation du forçage dépend des 'ailes' (voir ce post pour plus de détails). Les forçages pour les gaz à faible concentration (tels que les CFC) sont linéaires en concentration. Les différentes hypothèses sur les nuages, leurs propriétés et l'hétérogénéité spatiale signifient que le forçage moyen global est incertain d'environ 10 %. Ainsi, le RF pour un doublement du CO2 est probablement de 3,9±0,5 W/m2 – le même ordre de grandeur qu'une augmentation du forçage solaire de 2 %.

Il y a quelques petits rebondissements sur le concept de forçage radiatif. Il existe un certain nombre de processus qui réagissent très rapidement à un changement des concentrations de GES ou d'aérosols qui ne sont pas liés aux changements des températures de surface. Il s'avère que le calcul de ce forçage « effectif », après ces ajustements, rend l'ERF plus prédictif de l'éventuelle élévation de température. L'un de ces processus est l'ajustement stratosphérique qui se produit avec le CO2, car il joue un rôle important dans le bilan radiatif stratosphérique, tandis qu'un autre est la transformation très rapide des nuages ​​après un changement d'aérosol. L'autre problème dépend légèrement de la distribution spatiale des agents de forçage, différentes rétroactions et processus peuvent entrer en jeu et ainsi un forçage équivalent provenant de deux sources différentes peut ne pas donner la même réponse. Le facteur qui quantifie cet effet est appelé « l'efficacité » du forçage, qui est pour la plupart raisonnablement proche de un, et ne modifie donc pas l'image d'ordre zéro (Hansen et al, 2005). Cela signifie que les forçages climatiques peuvent être simplement ajoutés pour obtenir une approximation de l'effet net.

Le forçage total des traces de gaz à effet de serre mentionné à l'étape 3 est actuellement (jusqu'en 2019) d'environ 3,3 W/m2, et le forçage net (y compris les impacts de refroidissement des aérosols et des changements naturels) est de 2,7 ± 0,8 W/m2 depuis l'ère préindustrielle (IPCC AR6 Chapitre 7). La majeure partie de l'incertitude est toujours liée aux effets des aérosols. La croissance actuelle des forçages est dominée par l'augmentation du CO2, avec un rôle croissant pour la diminution des aérosols réfléchissants (sulfates, en particulier aux États-Unis et dans l'UE) et l'augmentation des aérosols absorbants (comme la suie, en particulier en provenance d'Inde et de Chine et de la combustion de la biomasse).

Étape 5 :La sensibilité climatique est d'environ 3°C pour un doublement du CO2

La sensibilité climatique classiquement définie est la réponse de la température moyenne globale à un forçage une fois que toutes les « rétroactions rapides » se sont produites (températures atmosphériques, nuages, vapeur d'eau, vents, neige, glace de mer, etc.), mais avant que les rétroactions « lentes » n'aient eu lieu (inlandsis, végétation, cycle du carbone, etc.). Étant donné que peu importe quel forçage change, la sensibilité peut être évaluée à partir de n'importe quelle période particulière du passé où les changements de forçage sont connus et le changement de température d'équilibre correspondant peut être estimé. Comme nous l'avons vu précédemment, la dernière période glaciaire est un bon exemple d'un grand forçage (~8 W/m2 provenant des calottes glaciaires, des gaz à effet de serre, de la poussière et de la végétation) donnant une réponse de température importante (~5 à 6°C) et impliquant une sensibilité d'environ 3°C (avec des barres d'erreur substantielles). Plus formellement, vous pouvez combiner cette estimation avec d'autres tirées du 20e siècle, la réponse aux volcans, le dernier millénaire, la télédétection, etc. pour obtenir de bonnes contraintes sur ce que devrait être le nombre. Cela a été récemment fait par Sherwood et al (2020), et ils proposent, vous l'aurez deviné, 3 °C (et aussi une incertitude plus stricte de 2,3 à 4,5 °C).

La conversion de l'estimation du double de CO2 en un facteur plus utile donne ~0,75 ºC/(W/m2).

Étape 6 :Le forçage radiatif x la sensibilité climatique est un nombre significatif

Les forçages actuels impliquent que la planète se réchaufferait de 2 ºC (=2,7 W/m2 x 0,75 ºC/(W/m2)) au moment où le climat atteindrait l'équilibre. Parce que les océans mettent du temps à se réchauffer, nous n'en sommes pas encore là (jusqu'à présent, nous avons connu 1,2 °C), et donc les ~0,8 °C restants sont « dans le pipeline » si nous maintenons des concentrations constantes (équivalent à une réduction immédiate d'environ 70 % des émissions). Des forçages supplémentaires dans des scénarios futurs plausibles pourraient atteindre 5 W/m2 et donc un réchauffement supplémentaire (à l'équilibre) pourrait être supérieur à 3 ºC. Fait intéressant, si les émissions de CO2 devaient cesser complètement, l'absorption nette de chaleur et la diminution du forçage radiatif s'équilibreraient à peu près, et nous ne nous attendrions pas à ce que les températures augmentent davantage. Ainsi, notre flexibilité sociétale nous permettra de nous retrouver quelque part entre ces deux extrêmes.

Ces changements de température peuvent sembler être de petits chiffres, mais à l'échelle d'une planète, ils sont très importants. Nous constatons déjà les effets du réchauffement jusqu'à présent sur les statistiques changeantes des vagues de chaleur, des précipitations extrêmes et des inondations côtières. Rappelez-vous que la dernière période glaciaire n'était que de 5 à 6 °C plus froide que la période préindustrielle - et ce fut un changement massif. Nous nous sommes déjà réchauffés entre un cinquième et un quart d'une "unité d'ère glaciaire", et les pires scénarios prévoient une unité de réchauffement d'une période glaciaire complète en quelques siècles, par rapport aux 10 000 ans qu'il a fallu pour se réchauffer auparavant.

C'est déjà important et cela le deviendra encore plus jusqu'à ce que les émissions cessent.

CQFD ?

[Traduction en néerlandais disponible]

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