Le réchauffement climatique : les solutions C. CORONA, 19/06/2008

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1 Le réchauffement climatique : les solutions C. CORONA, 19/06/2008

2 1. Introduction

3 Introduction Un peu de sémantique : le climat, ce n est pas la météo La météo, c est le temps qu il fait «tout de suite», ou dans pas très longtemps, et «devant ma porte», ou pas très loin. Elle se traduit par des valeurs instantanées et locales de la température, des précipitations, de la pression, de la nébulosité, etc. Pour faire de la météo, il suffit, pour l essentiel, de regarder ce qui se passe dans l atmosphère Il est très facile de passer de la météo au climat (c est même comme cela que l on fait des moyennes) ; il est bien plus difficile de deviner la météo de demain à partir de grandes tendances climatiques

4 Introduction Un peu de sémantique : le climat, ce n est pas la météo (bis) Le climat se définit avec les mêmes paramètres que la météo : température, précipitations, vent, nébulosité, etc... Par contre, le climat ne désigne pas des valeurs instantanées en un lieu donné, mais des conditions moyennes, et leurs variations les plus régulières (saisons par ex.), sur une zone plus ou moins vaste Le climat change naturellement, mais pas aussi vite que la météo!

5 Introduction Un peu de sémantique : le climat, ce n est pas la météo (bis) Pour cerner le comportement du climat, il ne suffit pas de regarder ce qui se passe dans l atmosphère (mais il faut quand même continuer à le faire!). Il faut aussi s intéresser : à l astre solaire et aux variations de paramètres astronomiques de la terre, à l océan, aux glaces polaires, aux volcans, à la tectonique, à la végétation, Et maintenant, à l homme, qui est devenu un agent climatique. Un premier changement d ordre de grandeur : la population Évolution démographique depuis le néolithique (découverte de l agriculture). Source : Musée de l Homme

6 Plan 1. L effet de serre : un phénomène naturel amplifié par l homme 2. La Terre se réchauffe 3. Les impacts constatés 4. La terre va continuer à se réchauffer 5. Avant d envisager des solutions : mettons fin à certaines idées reçues! 6. Agir collectivement : les politiques internationales et nationales 7. Quelles mesures seront les plus efficaces?

7 1. L effet de serre Un phénomène naturel amplifié par l homme

8 1. L effet de serre Introduction Qu'est-ce qu'une serre??? Un bâtiment couvert de vitres, qui laisse bien passer la lumière du soleil, mais empêche que la chaleur qui se forme à l'intérieur sous l'effet de la lumière du soleil, ne se dissipe trop vite vers l'extérieur. Pourquoi un effet de serre?? Parce qu il existe au sein de notre atmosphère des gaz (les "gaz à effet de serre"), présents en petite quantité, qui jouent pour notre planète exactement le même rôle que les vitres de la serre. Ils n'empêchent pas la lumière du soleil d'arriver jusqu'à nous, mais font office de couverture en empêchant l'énergie que nous recevons du soleil de repartir trop vite vers l'espace. Quels sont les gaz à effet de serre? Les plus importants sont parfaitement naturels et présents de longue date : La vapeur d'eau, qui occupe 2 à 3% de l'atmosphère, Le gaz carbonique, qui occupe actuellement 0,035% de l'atmosphère.

9 1. L effet de serre Plan 1.1. Le phénomène naturel : comment ces gaz agissent-ils? 1.2. Si l on dresse un bilan chiffré Le phénomène modifié par l homme : les grands principes I.4. Quelles sont les conséquences pour l atmosphère? Qui sont les responsables?

10 1. Lʼeffet de serre 1. Le phénomène naturel : comment ces gaz agissent-ils? 1.1. Le phénomène naturel : comment ces gaz agissent-ils? La terre reçoit toute son énergie du soleil. Cette énergie nous arrive sous forme de rayonnement dont l homme ne perçoit que la partie visible. Cette quantité d'énergie est considérable : en une année, l ' h u m a n i t é t o u t e e n t i è r e consomme une énergie qui représente moins de 3% de ce que le Soleil nous envoie chaque jour. Cette énergie nous arrive sous forme de rayonnement électromagnétique, dont la lumière fait partie.

11 1. L effet de serre 1. Le phénomène naturel : comment ces gaz agissent-ils? Le soleil, 6000 C à la surface, nous envoie un rayonnement composé de : 10% d'ultra-violets : une bonne partie est arrêtée par la fameuse "couche d'ozone". Effet bénéfique de la couche d O z o n e : c e s U V s o n t d e s rayonnements "énergiques", néfastes à la vie, ils ont tendance à "casser", dans les cellules vivantes, des liaisons chimiques indispensables, 40% de lumière visible 50% d'infrarouges. Un matériau peut être transparent pour l'un de ces rayonnements et pas pour les autres : notre propre corps transparent pour les rayons X (ex : la radiographie), pas pour la lumière visible (ex : ôte-toi de là, je ne vois rien!). L atmosphère a également ce pouvoir sélectif.

12 1. L effet de serre 1. Le phénomène naturel : comment ces gaz agissent-ils? L a s u r f a c e d e l a t e r r e e s t essentiellement recouverte d eau et de glace : ces surfaces très réfléchissantes ont un albédo élevé. Ces surfaces et les couches de l atmosphère vont partiellement (1/3) réfléchir le rayonnement solaire. Ce qui n est pas réfléchi (2/3) est absorbé par les divers composants de la terre et de l atmosphère puis transformé en chaleur. Ce rayonnement, une fois absorbée, chauffe donc la surface de la terre et de l atmosphère.

13 1. L effet de serre 1. Le phénomène naturel : comment ces gaz agissent-ils? Piqûre de rappel... Tout corps ayant dépassé le zéro absolu (c'est à dire -273 C!) émet du rayonnement électromagnétique pour dissiper une partie de son énergie : s'il n'est pas très chaud, il n'émettra que des ondes radio ; c'est le cas de certains objets dans l'espace (où effectivement il ne fait pas chaud : degrés Celsius!), s'il est plus chaud, il émet aussi des infra-rouges (notre corps émet des infrarouges, même la nuit : c'est grâce à cela que l'on peut construire des caméras à infrarouges qui permettent de nous "voir la nuit" en captant ces infrarouges), A partir de 700 C ( un morceau de métal chauffé "au rouge"), il émettra aussi de la lumière visible ; dans nos ampoules électriques nous ne faisons rien d'autre que de chauffer à l'électricité un filament de métal vers les 2700 C, ce qui lui fait rayonner de la lumière visible, encore plus chaud, il émettra ausi des ultraviolets, c'est le cas du soleil, encore plus chaud, il émettra des rayons X : c'est le cas de certains corps célestes.

14 1. L effet de serre 1. Le phénomène naturel : comment ces gaz agissent-ils? Tout corps chaud émet donc du r a y o n n e m e n t. L a t e r r e e t l atmosphère réchauffées, vont à leur tour émettre de l énergie. La Terre, qui n'est pas très chaude (15 C, en moyenne), émet uniquement des infrarouges (qui ne sont pas les mêmes que ceux du soleil). Notre atmosphère laisse bien passer la lumière visible. Par contre, à des gaz à effet de serre, elle laisse mal passer ces infrarouges. Une partie de ces infrarouges est donc interce ptée pa r l atmosphère et repart vers la terre. Cette énergie retenue prisonnière conduit la terre à être plus chaude que si les gaz à effet de serre n étaient pas présents. Sans effet de serre, il n y aurait pas d eau liquide à la surface de la terre et de ce fait, pas de vie. Par ailleurs, les lois de la physique nous enseignent que lorsque le système est à l équilibre : il y rentre en permanence l équivalent de ce qui en sort. Aussi le total de ce qui est réémis et de ce qui est réfléchi est égal à ce qui est reçu (cf. haut du graphique).

15 1. L effet de serre 2. Le bilan chiffré 1.2. Si l on dresse un bilan chiffré... La température à la surface de la Terre, 15 C = énergie qui chauffe la surface (deux origines, on va le voir plus loin) : 492 watts par m2 = énergie que perd cette même surface (trois origines, on va le voir juste après...) : 492 watts par m2.

16 1. L effet de serre 2. Le bilan chiffré Par quels mécanismes la surface se refroidit-elle? Trois mécanismes différents interviennent pour refroidir la surface de la Terre. Le rayonnement infrarouge (IR) émis par la surface de la Terre (terme D) : perte d énergie de 390 watts par m2 (terme D) : directement déterminé par la température de 15 C. 90% seront absorbés par l atmosphère, seuls 10% traverseront sans aucune interaction et quitteront directement et définitivement la planète Terre. Le réchauffement de l air par le sol (terme F) T surface du sol > T air, Le sol se refroidit en réchauffant l air au niveau du contact air - sol : les masses d air, réchauffées, s élèvent => mouvements verticaux de l atmosphère. En moyenne cela correspond à une perte de 24 watts par m2. L évaporation de l eau (terme E): il s évapore en moyenne 3 mm d eau par jour ce qui entraîne un refroidissement de la surface qui, exprimé en énergie, correspond à 78 watts par m = 492 watts par m2

17 1. L effet de serre 2. Le bilan chiffré Par quoi est assuré le chauffage de la surface de la Terre? Deux origines à ce chauffage : 1. L énergie solaire Cette énergie solaire est de 342 watts par m2. Cette énergie est inférieure à celle nécessaire à maintenir la température moyenne de la terre. Cette énergie est d autant plus insuffisante qu environ 30% (107 watts par m2, terme B) est renvoyé (ou réfléchi) dans l espace par l atmosphère, les océans et les continents. C est à cause de cette lumière réfléchie que la Terre est visible de l espace et que les planètes apparaissent brillantes la nuit dans le ciel. Il n en reste donc 235 watts par m2 (terme C) qui vont chauffer la Terre (Terre + Atmosphère). Sur ces 235 watts par m2 du rayonnement solaire (terme C) une partie (67 watts par m2,terme G) est captée par les constituants de l atmosphère (principalement la vapeur d eau et la couche d ozone), le restant (seulement 168 watts par m2, terme H) parvient à la surface et est entièrement absorbé par celle-ci.

18 1. L effet de serre 2. Le bilan chiffré L énergie solaire ne suffit pas... Il nous manque 324 watts par m2 ( ) pour maintenir la température à 15 C!!! Sans ces 324 watts par m2, la surface terrestre aurait une température moyenne de -18 C plutôt que de +15 C, rendant notre planète tout à fait inhospitalière pour les bipèdes que nous sommes (cf. planète Mars). 2. C est le rayonnement infrarouge émis par l atmosphère (terme I, 519 watts par m2 dont une partie se perd dans l espace) vers la surface de la Terre (324 watts par m2, terme I) qui va nous fournir l énergie manquante. Ce dernier est beaucoup plus important que la partie du rayonnement solaire absorbé par la surface (terme H, 324>168) : c est grâce à lui que la nuit, (pas de chauffage solaire) la température reste clémente =492 watts par m2 C est l énergie nécessaire à nos 15 C!!!

19 1. L effet de serre 2. Le bilan chiffré Mais d où l atmosphère tire-t-elle son énergie? C est toujours la même histoire! Quand un corps a une température d équilibre (ici l atmosphère) : l énergie absorbée par le corps est égale à l énergie perdue, par le corps. L énergie rayonnée par l atmosphère, 519 watts par m2 ( ), qui représente l énergie totale perdue par l atmosphère, doit être compensée par un apport égal d énergie à l atmosphère. Cet apport se fait sous quatre formes différentes : 3. Le rayonnement solaire (67 watts par m2, terme G), 4. L'absorption du rayonnement infrarouge qui est émis par la surface (terme K) : des 390 watts émis par cette dernière (voir plus haut), 90%, soit 350 watts par m2, sont absorbés par l'atmosphère. 1. La condensation de la vapeur d eau (78 watts par m2, terme E), dans l atmosphère sous forme de nuages. Alors que l évaporation refroidit le milieu (de l énergie est pompée au milieu ), la condensation dégage de la chaleur et réchauffe l atmosphère. 2. Le chauffage des masses d air à partir du sol (24 watts par m2, terme F)

20 1. L effet de serre 2. Le bilan chiffré L action de ces quatre mécanismes de chauffage de l atmosphère (E, F, G, K) fait que l atmosphère absorbe, emmagasine, à chaque seconde, 519 watts par m2. Comme elle est à l équilibre, l énergie absorbée n est pas stockée, (sinon sa température augmenterait sans cesse) elle ré-émet toute cette énergie. Elle la ré-émet entièrement sous forme de rayonnement infrarouge : 195 watts par m2 vers l extérieur de la planète (cette énergie sera donc rayonnée vers l extérieur de la Terre 324 watts par m2 vers la surface qui sont totalement absorbés par cette dernière. C'est cette quantité d énergie fournie par l atmosphère qui constitue l'effet de serre.

21 1. L effet de serre 2. Le bilan chiffré Quels sont les composants responsables de cet effet de serre? Peu de constituants atmosphériques sont capables d absorber ce rayonnement infrarouge. Les nuages en absorbent une grande partie. Les principaux gaz à effet de serre non-artificiels sont : la vapeur d'eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), le protoxyde d'azote (N2O) et l'ozone (O3). Les gaz à effet de serre industriels incluent les halocarbones lourds : les chlorofluorocarbones (CFC) et HCFC-22 comme le fréon, le perfluorométhane Ainsi que : l'hexafluorure de soufre (SF6).

22 1. L effet de serre 2. Le bilan chiffré Parmi ces constituants, 3 sont primordiaux : la vapeur d eau, H2O, absorbe près de 50% des 390 watts par m2 émis par la surface de la Terre. Elle a seulement une concentration de 2%o, le dioxyde de carbone, CO2, en absorbe lui près de 25 %. Il a seulement une concentration de 0.5%o La vapeur d eau et le CO2 absorbent de façon complémentaire le rayonnement infrarouge émis par la surface car ils agissent dans des domaines de fréquence (ou de longueur d onde) différents : leur action s ajoute. Ensemble dans l atmosphère ils absorbent à eux deux près de 75% du rayonnement émis par la surface de la Terre. les nuages là où ils existent, (ils couvrent environ la moitié de la surface de la Terre) absorbent 100% de ce rayonnement. Cette absorption ne s additionne pas, mais se superpose aux deux précédentes. Les nuages agissent de deux façons opposées : ils réchauffent la surface par effet de serre ils la refroidissent en réfléchissant le rayonnement solaire et donc en l empêchant de chauffer la surface de la Terre. On peut considérer que le chauffage de la planète par effet de serre se résume principalement à l action de la vapeur d eau et du CO2. Ces gaz sont présents NATURELLEMENT dans l atmosphère. L'effet de serre est un donc un phénomène parfaitement naturel et bénéfique. Ce qui est dangereux n'est pas le phénomène lui-même, parfaitement naturel et essentiel à notre existence, mais sa modification du fait de l'homme, modification qui elle est porteuse de graves dangers potentiels. Comme on le verra plus loin, cette modification ne se résume pas à un simple changement de température, loin s'en faut.

23 1. L effet de serre 3. Le phénomène modifié par l homme : les grands principes Le phénomène modifié par l homme : les grands principes L e s a c t i v i t é s h u m a i n e s (transport, industrie, chauffage, production d électricité, élevage...) conduisent à augmenter la teneur de l atmosphère en gaz à effet de serre au delà de son niveau naturel. Ceci augmente l opacité de l a t m o s p h è r e a u x infrarouges. Une plus grande par tie des infrarouges émis par la terre et l atmosphère va donc être retenue prisonnière dans l atmosphère et renvoyée vers la terre.

24 1. L effet de serre 3. Le phénomène modifié par l homme : les grands principes. L é n e r g i e d e c e s i n f r a r o u g e s supplémentaires va conduire à une augmentation de la température de la terre, qui, en retour, va se mettre à rayonner plus fort. La terre va rayonner de plus en plus fort jusqu à ce que la part qui arrive à quitter l atmosphère soit la même q u a v a n t l a m o d i fi c a t i o n d e l atmosphère. La conséquence est une augmentation des températures de la terre qui ne b a i s s e r o n t p a s t a n t q u e l a concentration des gaz à effet de serre n auront pas diminué. Ceci devrait prendre au minimum quelques siècles...

25 1. L effet de serre 4. Le bilan chiffré : causes et conséquences I.4. Le bilan chiffré. Quelles sont les conséquences pour l atmosphère? Qui sont les responsables? Le Protocole de Kyoto (2001) ne retient que 6 gaz à effet de serre : le dioxyde de carbone, le méthane, l'oxyde d'azote, les hexafluorocarbures, les perfluorocarbures et l'hexafluorure de soufre. Leur capacité de réchauffement et leur durée de résidence dans l'atmosphère sont très inégales. Leur concentration suit une évolution exponentielle et présente un effet retard qui peut dépasser un siècle : Certains gaz émis aujourd'hui ne produiront un effet que d'ici 100 ans voire plus tard encore... En stoppant aujourd hui les rejets de CO2, il faudra 100 à 120 ans pour que la terre retrouve son équilibre pré-industriel...

26 1. L effet de serre 4. Le bilan chiffré : causes et conséquences

27 1. L effet de serre 4. Le bilan chiffré : causes et conséquences 4.1. Un doublement de la teneur en CO2 d ici 2100 La concentration actuelle de CO2 n'avait encore jamais été atteinte au cours des dernières années et probablement pas non plus au cours des 20 millions d'années précédentes. Le taux d'augmentation actuel est sans précédent depuis au moins ans ANS 1000 ANS ANS

28 1. L effet de serre 4. Le bilan chiffré : causes et conséquences Carottes de glaces Mesures directes, MAUNA LOA Depuis le début de la révolution industrielle, la concentration du dioxyde de carbone a augmenté de 37 %, passant de 278 à 382 ppm en volume en En 2001, les émissions anthropiques atteignent 29 Gt/ an. Variation saisonnière de la concentration du gaz carbonique. Les minima correspondent à l'été de l'hémisphère Nord (absorption maximale par la végétation), les maxima à l'hiver.

29 1. L effet de serre 4. Le bilan chiffré : causes et conséquences Et pourtant la terre est un énorme réservoir de Carbone... Réservoir 70 GtC/an Carbone, Gt Atmosphère 750 Océans Sol superficiel Biomasse 550 Couches géologiques L'ensemble de la planète est un énorme réservoir de carbone. La fraction mobile de ce carbone circule essentiellement sous forme de CO2. L'océan est un régulateur de la concentration en CO2 dans l'atmosphère grâce à sa grande capacité à le dissoudre. Mais le déséquilibre observé est dû à la lenteur des processus d'absorption naturels par rapport à la vitesse d'émission du gaz carbonique par les activités humaines. La biosphère terrestre échange avec l'atmosphère une importante quantité de gaz carbonique. Cet échange permet de recycler une partie du gaz carbonique émis dans l'atmosphère. 120 GtC/an La déforestation massive dans certaines parties du globe, et plus précisément les incendies allumés pour détruire la forêt, contribue à augmenter l'émission de gaz carbonique.

30 1. L effet de serre 4. Le bilan chiffré : causes et conséquences 2005 Aujourd hui, la production de gaz carbonique excède la capacité d'absorption de la nature. D'ici 2050, on prévoit un doublement de la concentration du gaz carbonique dans l'atmosphère par rapport au début de l'ère industrielle. Les sources d émission des 29 GtC sont respectivement : les transports (22%) l industrie et le chauffage résidentiel (33%) la production d énergie (33%) Transport 22% Production d'énergie 33% Résidentiel et Industrie 33% Autres 12%

31 1. L effet de serre 4. Le bilan chiffré : causes et conséquences La répartition géographique

32 1. L effet de serre 4. Le bilan chiffré : causes et conséquences La répartition géographique

33 1. L effet de serre 4. Le bilan chiffré : causes et conséquences 4.2. Un doublement de la teneur en méthane en moins de 100 ans Les mesures glaciologiques décrivent aussi l évolution à long terme de la teneur en méthane, qui a varié de 0,4 ppm à 0,8 ppm au cours du dernier cycle glaciaire/interglaciaire. L augmentation à une valeur de 1,6 ppm en moins de 100 ans correspond à un changement d une rapidité sans précédent ANS Malgré sa teneur atmosphérique beaucoup plus faible qu en CO2, le méthane contribue de manière très notable à l effet de serre car l ajout d une molécule de méthane dans l atmosphère produit un effet radiatif 40 fois supérieur à l ajout d une molécule de CO2. Un danger particulier est lié au permafrost des régions proches du Pôle (Sibérie) : il contient des quantités importantes de méthane qui pourraient être libérées par un réchauffement du sol ANS L activité agricole est aussi un facteur important dans l augmentation de la teneur atmosphérique en oxydes nitreux. 30 ANS

34 1. L effet de serre 4. Le bilan chiffré : causes et conséquences Au final, les gaz à effet de serre d origine anthropique s accumulent dans l atmosphère et perturbent l équilibre énergétique de la planète. Ils agissent comme une couverture retenant l énergie infrarouge. Cette effet de serre additionnel est de l ordre de 2 watts par m2. C est peu comparé aux 492 watts par m2 que reçoit la surface terrestre... En comparaison, une petite ampoule électrique comme on en trouve sur les guirlandes de Noël dissipe un watt environ sous forme de chaleur. Ainsi l effet de serre d origine humaine réchauffe la planète autant que deux petites ampoules électriques électriques allumées sur chaque mètre carrés de la surface de la terre, océan compris. Ce réchauffement a des conséquences notables, nous le verrons plus loin : hausse des températures recul des glaciers fonte de la banquise élévation du niveau marin modification de la phénologie des espèces... Malgré tout nous n évaluons pas encore l ampleur du changement climatique ni les conséquences pratiques qu il engendrera dans les prochaines décennies. Pouvons-nous y faire quelque chose? Pour répondre à cette question, il est fondamental d étudier et de quantifier la sensibilité du système aux perturbations (ou forçages) naturelles ou anthropiques, et plus particulièrement son temps de réaction. Pour l instant, les connaissances les plus détaillées proviennent des données empiriques recueillies sur l histoire du climat terrestre.