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CO2 et climat
Auteurs : Jean-louis Dufresnes(plus d'infos)
Résumé :
Parallèlement à l’accroissement de la concentration en CO2 dans l’atmosphère, on observe une augmentation de la température moyenne de la surface de la Terre.
Publication : 26 Mars 2014

Évolution récente de la concentration en CO2

La combustion du charbon, du pétrole, du gaz ou du bois libère essentiellement de la vapeur d’eau et du CO2. La vapeur d’eau ne reste que quelques jours dans l’atmosphère avant de se condenser et de retomber sous forme de pluie. L’hypothèse que le CO2 puisse s’accumuler, au moins partiellement, dans l’atmosphère date de la fin du xixe siècle. Elle a tout de suite été contestée car les échanges de CO2 entre l’atmosphère et l’océan ou la végétation sont très intenses et l’on pouvait donc supposer qu’ils évolueraient de façon à maintenir la concentration en CO2 à peu près constante. C’est seulement à partir des années 1960 que l’on a mesuré assez précisément la concentration en CO2, loin des zones où il est émis, et observé qu’elle augmentait bien. Depuis, on a pu établir que l’océan et la végétation absorbent environ la moitié des émissions anthropiques (c’est-à-dire d’origine humaine) de CO2, l’autre moitié s’accumulant dans l’atmosphère. Il est important de remarquer que la concentration en CO2 augmenterait deux fois plus vite si l’océan et la végétation ne jouaient pas leur rôle. Continueront-ils de le faire dans les prochaines décennies ? De nombreuses études montrent que ces puits naturels de carbone pourraient se réduire à cause du réchauffement climatique.
La mesure de la composition chimique des bulles d’air emprisonnées dans la glace des calottes polaires permet d’évaluer la variation de la concentration en CO2 depuis plus de six cent mille ans. Celle-ci a varié de 200 à 300 ppm (parties par million) environ entre les périodes glaciaires (concentration basse) et les périodes interglaciaires (concentration plus élevée) selon un cycle dont la période est d’environ cent mille ans. Depuis 15 000 ans environ, nous sommes dans une période interglaciaire, avec une concentration en CO2 stable, proche de 280 ppm. Mais cette concentration a rapidement augmenté depuis 150 ans, passant de 280 ppm vers 1860 à 380 ppm. Ainsi, la concentration en CO2 a autant augmenté en cent cinquante ans qu’en quelques milliers d’années, dans le passé, lors des transitions entre une période glaciaire et interglaciaire.

Le réchauffement climatique dû à un accroissement de CO2

Parallèlement à l’accroissement de la concentration en CO2 dans l’atmosphère, on observe une augmentation de la température moyenne de la surface de la Terre. Ce réchauffement est d’environ 0,8 °C sur cent cinquante ans, dont 0,6 °C sur les cinquante dernières années. Le CO2 étant un des principaux gaz à effet de serre, une augmentation de sa concentration renforce l’absorption du rayonnement infrarouge par l’atmosphère, ce qui a pour conséquence d’augmenter la température de surface selon les mêmes principes physiques que ceux utilisés précédemment pour expliquer l’effet de serre. Néanmoins, nous allons exposer pourquoi ce lien entre concentration en CO2 et température de surface n’est pas si direct et pourquoi il faut faire intervenir toute la complexité du système climatique en plus de l’effet de serre lui-même. Ce sont toutes ces difficultés qui font que c’est seulement depuis quelques années que les climatologues ont établi que l’augmentation des gaz à effet de serre, et notamment du CO2, est la principale cause de cette augmentation de la température.
Évolution observée de la concentration de l’atmosphère en CO2
(source : Jean-Marc Barnola, LGGE-CNRS)

On sait aujourd’hui calculer de façon précise et fiable de combien une variation de la concentration en CO2 modifie l’effet de serre. Si l’on suppose que l’atmosphère terrestre conserve exactement ses propriétés actuelles, que seules la concentration en CO2 et les températures de l’air et de la surface de la Terre peuvent varier, on obtient alors qu’un doublement de la concentration en CO2 a pour conséquence d’augmenter la température moyenne de la Terre de 1,2 °C. Ce calcul peut être fait de façon très précise, mais il est basé sur des hypothèses qui sont beaucoup trop simplificatrices. En effet, si la température change, toutes les autres grandeurs décrivant le climat changent aussi : humidité, vent, nuages, pluies, couverture neigeuse, etc. Tout cela peut à son tour modifier les échanges de chaleur dans l’atmosphère, et donc avoir un effet sur les températures : ce sont des phénomènes de rétroaction. Prenons quelques exemples.
La quantité maximale de vapeur d’eau pouvant être contenue dans un volume d’air dépend de la température : plus la température de l’air est élevée, plus cette quantité est importante, et inversement lorsque la température est plus faible (voir « La physique du climat »). Or nous avons vu précédemment que la vapeur d’eau est le principal gaz à effet de serre. Donc, si l’humidité relative de l’atmosphère reste constante, toute augmentation de la température de l’air sera accompagnée d’une augmentation de la quantité de vapeur d’eau, donc de l’effet de serre, ce qui entraînera une augmentation de la température de l’air et de la surface de la Terre. C’est une rétroaction positive : la variation de la vapeur d’eau a pour effet d’amplifier la variation initiale de température. Qui dit amplification ne veut pas dire emballement car il y a un phénomène stabilisateur : c’est la loi d’émission du rayonnement dont nous avons parlé au début de ce chapitre et qui dit que lorsque la température augmente, l’énergie perdue par émission de rayonnement augmente. Les rétroactions sont actives aussi bien lorsque la température augmente que lorsqu’elle diminue. Toujours pour ce premier exemple, si la température baisse, la quantité de vapeur d’eau baisse aussi, ce qui réduit l’effet de serre et tend à diminuer la température de surface.
Une autre rétroaction positive est liée à l’extension de la couverture neigeuse. La neige, qui est très blanche, réfléchit entre 80 et 90 % du rayonnement solaire incident. Or, dans un climat plus chaud, la surface neigeuse sur les continents sera moindre. S’il y a moins de neige, le rayonnement solaire, au lieu d’être réfléchi par le sol, sera absorbé et la température aura donc tendance à augmenter davantage.
Une dernière rétroaction importante tient aux nuages. Ces derniers ont un effet de serre qui dépend de leur altitude, les nuages hauts ayant un effet plus important que les nuages bas. Les nuages, comme la neige, réfléchissent également vers l’espace le rayonnement solaire incident, phénomène parfois appelé « effet parasol ». L’effet de serre des nuages tend à augmenter la température de surface de la Terre, l’effet parasol tend à la refroidir. Aujourd’hui, on observe que ces deux effets antagonistes ne s’annulent pas tout à fait et qu’à l’échelle globale, l’effet parasol domine, que les nuages refroidissent légèrement la surface de la Terre. La façon dont les nuages changeront avec la température globale n’est pas encore bien connue. Les modèles climatiques actuels tendent à montrer que leur effet parasol diminuera si la température globale augmente, ce qui aura tendance à augmenter davantage la température de la Terre, mais cet effet est très incertain et il est la principale source d’incertitude des projections des changements climatiques futurs.
L’ensemble de ces rétroactions climatiques a pour effet d’amplifier d’un facteur 2 à 3 toute variation de température. Par exemple, lors d’un doublement de la concentration en CO2, nous avons vu que la température augmentait de 1,2 °C si elle était la seule grandeur à changer. En prenant en compte l’ensemble des rétroactions du climat, on trouve que l’augmentation de la température est de 2,5 à 4,5 °C. On voit ainsi clairement l’importance des rétroactions dans les prévisions des changements climatiques futurs. Pour estimer précisément l’augmentation des températures, il faut bien connaître et bien prendre en compte l’ensemble de ces rétroactions : c’est l’une des principales difficultés à surmonter pour estimer les réchauffements climatiques futurs.

Le refroidissement dû à un accroissement des aérosols

Une autre perturbation anthropique est l’émission d’aérosols, toutes petites particules solides ou liquides qui peuvent rester plusieurs jours en suspension dans l’air lorsque leur diamètre est inférieur à un micromètre (μm), c’est-à-dire inférieur à un millième de millimètre. Ce sont notamment de tout petits grains de sable, de terre ou de sel, des pollens… Ils peuvent aussi être produits par des feux (la fumée que l’on voit est constituée d’aérosols) ou être le résultat de réactions chimiques. Les aérosols réduisent la visibilité, « troublent » l’atmosphère et renvoient une partie du rayonnement solaire incident vers l’espace, ce qui diminue le rayonnement solaire arrivant à la surface de la Terre et tend donc à en réduire la température. Mais les aérosols influencent aussi la formation des nuages et ont tendance à les rendre plus réfléchissants au rayonnement solaire, ce qui contribue également à diminuer la température de surface de la Terre.
On pourra se reporter au chapitre « La physique du climat » déjà cité pour une explication plus détaillée du phénomène de condensation et du lien avec la formation des nuages dans l’atmosphère, nous ne considérons ici que l’effet des aérosols. La vapeur d’eau se condense de façon privilégiée autour des aérosols. Lorsqu’il y a peu d’aérosols dans l’air, la vapeur d’eau se condense autour des quelques-uns présents. Le nombre de gouttes est donc assez faible, ce qui fait que les gouttes sont assez grosses car la vapeur d’eau ne peut se condenser qu’en un petit nombre d’endroits. C’est bien ce que l’on observe dans la première partie de l’expérience.
Lorsqu’il y a beaucoup d’aérosols dans l’air, la vapeur d’eau peut se condenser autour du grand nombre d’aérosols présents. Il y a beaucoup de gouttes et elles ont un faible diamètre car la vapeur d’eau peut maintenant se condenser en un grand nombre d’endroits. C’est ce que l’on observe dans la deuxième partie de l’expérience : le nuage est beaucoup plus « lumineux » car les gouttes d’eau sont plus petites, plus nombreuses et elles diffusent davantage la lumière (voir dans cet ouvrage, « Les couleurs du ciel », de Roland Lehoucq).
Chaque goutte d’eau qui tombe entraîne avec elle un ou plusieurs aérosols : c’est pour cela que le ciel est souvent très limpide après une pluie, il a été « lavé » des aérosols. Dans notre expérience avec la bouteille, il faudra former plusieurs fois de suite un nuage et attendre que les gouttelettes tombent pour pouvoir réduire la quantité d’aérosols en suspension. On peut aussi attendre simplement une ou deux heures sans rien faire, le temps que les aérosols se collent aux parois de la bouteille.
Les activités humaines ont pour effet d’augmenter la quantité d’aérosols dans l’air et aujourd’hui, on estime que ce supplément d’aérosols masque environ un tiers du réchauffement climatique dû à l’accroissement des gaz à effet de serre.

On prend deux bouteilles de soda en plastique, on colle avec une colle forte les deux bouchons ensemble, tête-bêche, et on les perce ensuite d’un trou de 4 à 5 mm de diamètre environ. On verse un fond d’eau dans la bouteille du bas et on visse les deux bouteilles sur les deux bouchons. Attendre au moins cinq minutes que l’ensemble soit à la même température. Placer la bouteille du bas dans le faisceau d’un projecteur et comprimer la bouteille du haut avec les mains pendant vingt secondes environ. Relâcher la bouteille du haut. On voit alors apparaître des petites gouttes d’eau dans la bouteille du bas (ces gouttes forment un « nuage »). Elles sont le résultat de la condensation de la vapeur d’eau qui a eu lieu lorsque la pression dans la bouteille a diminué. On dévisse ensuite la bouteille du bas et on y introduit pendant quelques secondes une allumette (ou un bâton d’encens) tout juste éteinte et qui fume encore, de sorte que la fumée se disperse à l’intérieur de la bouteille. Après l’avoir refermée, on refait la même expérience que ci-dessus : compression puis décompression de la bouteille. On observe encore la formation d’un nuage, mais celui-ci est beaucoup plus lumineux que le premier. En présence d’aérosols, ce nuage diffuse beaucoup plus la lumière, les gouttelettes d’eau sont plus petites que précédemment, plus difficiles à distinguer individuellement.

Les autres causes des variations du climat

Outre l’accroissement des gaz à effet de serre, les activités humaines peuvent modifier le climat via un changement des caractéristiques de la surface des continents. Par exemple, l’eau contenue dans le sol s’évaporera beaucoup plus facilement si le sol est recouvert par une forêt que s’il est recouvert par une prairie. Ces changements peuvent modifier la température de surface à l’échelle régionale ou continentale, mais ont peu d’effet à l’échelle globale.
Le climat peut également être modifié par des « perturbations » naturelles. Sur de très grandes échelles de temps (plusieurs dizaines de milliers d’années), ce sont notamment les variations de la position relative de la Terre et du Soleil qui jouent un rôle déclencheur dans les transitions entre périodes interglaciaires et glaciaires. Sur des échelles de temps beaucoup plus courtes (quelques mois à quelques années), les très grosses éruptions volcaniques influencent le climat en émettant des poussières très fines qui peuvent rester quelques mois à quelques années dans la haute atmosphère, vers 15 km d’altitude. On estime que l’éruption du Pinatubo (Philippines) en 1991 a conduit à une réduction de la température moyenne de la Terre de 0,5 à 1,5° C dans les mois qui ont suivi, un effet qui a ensuite progressivement disparu en trois ans. Le rayonnement émis par le Soleil varie également, notamment selon un cycle de onze ans, mais ces variations sont de très faible amplitude et ne semblent pas affecter le climat global.
Enfin, le climat varie tout seul, par lui-même, sans forçage. On le constate à l’échelle locale ou régionale : été chaud ou froid, sec ou pluvieux, hiver rigoureux ou clément, etc. Les interactions entre l’atmosphère et les surfaces continentales ou les océans créent des variations du même type à l’échelle globale, dont un exemple connu est le phénomène El Niño : elles relèvent de la « variabilité interne du climat ».

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