Colloque «Enseignement des sciences à l école primaire : Education à l environnement pour un développement durable» Conférence de Michel Petit - membre de l Académie des sciences Le changement climatique mondial Plan de la fiche 1 Qu est-ce qui détermine la température de la Terre? 1.1 L échange d énergie par rayonnement 1.2 La température de la Terre 2 Qu est-ce que l effet de serre? 3. L effet de serre provoqué par les activités humaines 3.1 Le changement de la composition de l atmosphère 3.2 Le changement climatique observé 4 Le changement climatique au cours du XXI ème siècle 4.1 L évolution de la composition de l atmosphère 4.2 L augmentation de la température moyenne mondiale 4.3 La répartition géographique du réchauffement 4.4 Le changement des précipitations 4.5 Les conséquences du changement climatique 5 La maîtrise du changement climatique 5.1 L inertie du système climatique 5.2 Les scénarios de stabilisation 5.3 Les réserves en combustibles fossiles 5.4 La maîtrise du réchauffement climatique
Le changement climatique mondial 1 Qu est-ce qui détermine la température de la Terre? 1.1 L échange d énergie par rayonnement 1.1.1 Le rayonnement solaire Le Soleil rayonne une lumière visible qui nous éclaire le jour. On peut aisément se convaincre que ce rayonnement transporte également de la chaleur : il suffit d être à l ombre, c est-à-dire de cacher le Soleil par un objet quelconque, tel qu un arbre ou un parasol, pour avoir moins chaud. Cette impression subjective peut être confirmée par l expérience simple qui consiste à déplacer un thermomètre du plein Soleil à l ombre. 1.1.2 Le rayonnement infrarouge Si on regarde un charbon de bois dans un barbecue et qu on souffle dessus énergiquement, il rayonne de la lumière comme le Soleil et si on approche sa main, on sent une chaleur du côté présenté au foyer, mais rien sur le côté opposé. C est là le même phénomène que celui que nous éprouvons avec le Soleil : il faut retourner la viande pour la faire cuire au barbecue, comme il faut se retourner sur la plage pour bronzer sur tout le corps. Si on cesse de ventiler énergiquement le charbon de bois, la combustion est moins violente, sa température diminue et il prend une couleur rouge de plus en plus sombre jusqu à ne plus être visible sans éclairage extérieur. Cependant, si on approche sa main, on ressent toujours une impression de chaleur, pouvant aller jusqu à la brûlure si on l approche de trop près. Ce rayonnement succédant au rouge sombre est appelé infrarouge : il transporte de l énergie comme le rayonnement lumineux, mais nos yeux ne le voient pas. 1.2 La température de la Terre La Terre absorbe une partie de l énergie du rayonnement solaire qu elle reçoit. Sa température a donc tendance à augmenter jusqu à ce qu elle parvienne à évacuer une quantité d énergie équivalente à celle qu elle absorbe. La Terre est isolée dans le vide interplanétaire et la seule manière dont elle puisse perdre de l énergie est de rayonner dans l espace, comme le fait le Soleil, à ceci près que ce rayonnement est infrarouge et donc non visible. Sa température d équilibre s établit donc à une valeur qui lui permette d émettre dans l infrarouge une énergie égale à l énergie solaire qu elle absorbe. 2 Qu est-ce que l effet de serre? Avant d aller se perdre dans l espace, le rayonnement infrarouge de la Terre traverse son atmosphère qui, en fonction de sa composition, en absorbe une partie. C est pour cela que l atmosphère joue un rôle important dans la détermination de la température de la planète, comme Joseph Fourier l avait déjà souligné en 1826. Si on ajoute dans l atmosphère des gaz qui ont tendance à absorber le rayonnement infrarouge, le rayonnement sortant diminue et la Terre perd moins d énergie. Sa température augmente donc jusqu à ce que l augmentation de température compense exactement le manque à rayonner provoqué par le changement de composition de l atmosphère. C est ce qu on appelle l effet de serre, car il se produit dans les serres de jardinier ou d horticulteur.
3. L effet de serre provoqué par les activités humaines. 3.1 Le changement de la composition de l atmosphère L observation systématique de l atmosphère depuis une cinquantaine d années montre de façon incontestable une augmentation de sa teneur en gaz à effet de serre et tout particulièrement de sa teneur en gaz carbonique dont la concentration augmente de un demi pour cent par an. En d autres termes, la quantité de gaz carbonique présente dans l atmosphère augmente de 11 milliards de tonnes par an. Pour fabriquer cette quantité, il faut brûler 3 milliards de tonnes de carbone, les 8 autres milliards étant de l oxygène pris à l atmosphère terrestre. Or, 3 milliards de tonnes de carbone représentent à peu près la moitié de ce que l humanité brûle sous forme de charbon, de pétrole et de gaz naturel. L autre moitié du gaz carbonique produit est absorbée par l océan et la biosphère. Figure 3.3: Fossil fuel emissions and the rate of increase of CO 2 concentration in the atmosphere. The annual atmospheric increase is the measured increase during a calendar year. The monthly atmospheric increases have been filtered to remove the seasonal cycle. Vertical arrows denote El Niño events. A horizontal line defines the extended El Niño of 1991 to 1994. Atmospheric data are from Keeling and Whorf (2000), fossil fuel emissions data are from Marland et al. (2000) and British Petroleum (2000), see explanations in text. Figure 1 : Comparaison de la quantité de carbone brûlée annuellement et de l augmentation du carbone présent dans l atmosphère sous forme de gaz carbonique C est ainsi que le nombre de molécules de gaz carbonique qu on trouve dans un million de molécules d air est passé de 280 ppm en 1850, avant le début de l ère industrielle à plus de 380 ppm aujourd hui (ppm étant l abréviation de parties par million). La composition de l atmosphère est observée directement depuis 1958 avec précision. Le panneau en haut à gauche de la figure 2 montre cette évolution. C est à partir de ces données d observation qu on a calculé l augmentation de la masse du carbone présent dans l atmosphère représentée sur la figure 1. Pour remonter plus loin dans le temps, on dispose de diverses méthodes. La plus puissante d entre elles consiste à forer les calottes de glace pour en extraire des carottes contenant des bulles d air emprisonné il y a bien longtemps, lorsque les flocons de neige se sont transformés en glace sous le poids des nouvelles chutes de neige. Des forages profonds de 3 km permettent ainsi d observer un air vieux de centaines de milliers d années (panneau en haut à droite de la figure 2).
Figure 2 : Evolution de la teneur de l atmosphère en gaz carbonique à diverses échelles de temps 3.2 Le changement climatique observé Une telle augmentation de la teneur en gaz à effet de serre se traduit, comme l avait prévu Svante Arrhénius en 1896 et comme le simulent les modélisations numériques modernes, par un effet de serre additionnel entraînant une augmentation de la température moyenne du globe de 0,8 plus ou moins 0,2. Parmi les 11 années les plus chaudes enregistrées, 10 se trouvent dans les 11 dernières années, la seule exception étant 1996. Figure 3 : L évolution semblable au cours du temps de la température des terres, de la surface de l eau de mer et de l air à la surface de la mer
Ce réchauffement n est pas uniformément réparti, les océans dont l effet régulateur sur les températures est bien connu se réchauffant naturellement moins que les continents. De façon moins intuitive, mais conformément aux modélisations, ce sont les régions les plus septentrionales d Amérique, d Europe et d Asie qui voient leur température croître le plus. Les continents et les océans se sont réchauffés Figure 4 On note en outre que les nuits se réchauffent plus que les jours, là encore conformément aux prévisions. Les précipitations sont également affectées par ce changement climatique, certaines régions étant plus arrosées et d autres moins. La répartition des précipitations a changé Figure 5
4 Le changement climatique au cours du XXI ème siècle 4.1 L évolution de la composition de l atmosphère Les besoins énergétiques de l humanité ne cessent de croître tant à cause de la croissance de la population mondiale que du développement économique de certains pays. Cette énergie est produite actuellement pour 80 % à partir de combustibles fossiles (figure 6). 10 milliards de tonnes par an en «équivalent pétrole» 6,8 % 23,5% 21% 35% Pétrole Gaz Charbon Bois, Nucléaire Hydro Renouv Figure 6 : Origine de l énergie consommée mondialement par an En l absence d actions volontaristes, les émissions de gaz carbonique croîtront dans les prochaines décennies et il s ensuivra une augmentation de la concentration du gaz carbonique dans l atmosphère. Divers scénarios vraisemblables ont été construits pour ces évolutions qui conduisent à des concentrations allant de 550 à 1000 ppm. (Figure 7) 4.2 L augmentation de la température moyenne mondiale Les modèles simulant sur ordinateur la circulation des masses d air dans l atmosphère et des masses d eau dans l océan constituent la base des prévisions météorologiques actuelles. Ils peuvent être adaptés à la prévision du changement du climat provoqué par une évolution donnée de la composition atmosphérique. A chaque scénario correspond une évolution de la température moyenne mondiale. Cependant, les modèles ne sont pas parfaits, ils sont en particulier incapables de simuler en des temps de calcul raisonnables des phénomènes de taille inférieure à 300 km. Il en résulte que les températures prévues sont attachées d une incertitude. Les barres d erreur à droite de la figure 8 sont relatives à la température prévue en 2100. On voit que si on associe la concentration la plus faible à la partie basse de la barre d erreur correspondante, l augmentation de température prévue est de 1, 4 et que si, à l opposé on associe la concentration la plus forte à l extrémité haute de la barre d erreur, on trouve 5,8. C est donc dans cette fourchette qu on peut s attendre à trouver l augmentation de la température moyenne mondiale à la fin du siècle, en l absence d actions volontaristes.
L importance d un tel écart sur la température mondiale est mis en évidence par le rappel de l écart de 5 qui existe entre une ère glaciaire et un optimum interglaciaire. Les concentrations de CO 2 attendues au cours du XXIème siècle sont deux à quatre fois celles de l ère préindustrielle Figure 7 : Scénarios d évolution de la concentration du gaz carbonique dans l atmosphère La température mondiale moyenne devrait croître au cours du XXIème siècle Figure 8
4.3 La répartition géographique du réchauffement L augmentation de température prévue n est pas uniforme, les continents se réchauffant plus que les océans et les parties septentrionales subissant le réchauffement le plus fort (voir figure 9). Les continents devraient se réchauffer plus que les océans, le réchauffement étant le plus fort aux hautes latitudes Changement de la température moyenne annuelle au cours de la période 2071 à 2100 par rapport à 1990, pour un réchauffement mondial moyen de 3.1 o C en 2085 Figure 9 4.4 Le changement des précipitations La moyenne mondiale des précipitations devrait croître. La figure 10 montre que certaines régions comme le nord de l Europe seront plus arrosées tandis que le bassin méditerranéen sera confronté à une sécheresse accrue. On observera davantage de phénomènes pluvieux intenses, même dans les régions plus sèches. Certaines régions devraient devenir plus humides, d autres plus sèches avec des précipitations accrues en moyenne mondiale Changement des précipitations annuelles moyennes au cours de la période 2071 à 2100 par rapport à 1990 Figure 10
4.5 Les conséquences du changement climatique Les changements climatiques affectent déjà des systèmes physiques et biologiques sur tous les continents : retrait des glaciers de montagne, réduction de l étendue et de l épaisseur de la glace de mer arctique en été, floraisons précoces et périodes plus longues de croissance des plantes et de reproduction des animaux, migration en latitude et en altitude des plantes, des poissons, des oiseaux, des insectes, etc. Plus de 99 % des changements observés sont cohérents avec le changement climatique actuel. Les changements climatiques redoutés vont être lourds de conséquences plus sérieuses sur les ressources en eau, certains écosystèmes naturels, la santé, l agriculture, la sylviculture, les systèmes côtiers et les zones de basse altitude qui seront affectées par la montée du niveau de la mer sous le double effet de la dilatation d une couche océanique superficielle d épaisseur croissante et de l apport d eau résultant de la fonte des glace de terre. Ce dernier phénomène pourrait entraîner des conséquences catastrophiques pour de nombreuses populations : la fonte de la calotte glaciaire du Groenland provoquerait une augmentation du niveau de la mer de plus de 5 mètres. Un certain nombre de mesures d adaptation sont envisageables pour atténuer les effets du changement climatique. Il semble évident que les pays développés auront des possibilités d adaptation supérieures à celles des pays qui le sont moins. Il faut donc s attendre à ce que le déséquilibre nord-sud s en trouve accentué, avec l apparition d émigrés climatiques et la multiplication des problèmes associés aux demandes massives de migration. 5 La maîtrise du changement climatique Seule une réduction des émissions humaines de gaz à effet de serre peut permettre d empêcher le changement climatique de prendre une ampleur susceptible d engendrer des catastrophes. Des gaz comme le méthane existant dans le gaz naturel, produit par certaines cultures et par la fermentation dans l appareil digestif des ruminants (qui s en débarrassent par des pets et surtout par des rots) ou comme l oxyde nitreux dont les émissions sont accrues par l emploi d engrais azotés, ont un effet de serre qui vient s ajouter à celui du gaz carbonique. Néanmoins, la contribution du méthane ne représente que 30 % de celle du gaz carbonique et celle de l oxyde nitreux 10 %. De plus, la durée de vie du gaz carbonique est beaucoup plus longue que celle du méthane et de l oxyde nitreux. On se concentrera donc sur la maîtrise des émissions de gaz carbonique qui posent le problème plus sévère de développement durable, à cause du lien étroit avec la production énergétique qui a déjà été souligné. 5.1 L inertie du système climatique La figure 11 montre que pour stabiliser la température, il faut commencer par stabiliser la concentration du gaz carbonique dans l atmosphère et que cela nécessite de diminuer les émissions qui ont tendance actuellement à croître pour les ramener à un niveau très inférieur au niveau actuel. La figure 11 montre clairement que si nous attendons d avoir trop chaud pour réduire nos émissions, la température que nous imposerons aux générations futures pour des millénaires est largement supérieure à celle qui nous a décidé à agir. En outre, le niveau de la mer continuera à augmenter pendant des millénaires à cause de la dilatation d une couche superficielle de plus en plus épaisse et de la fonte des glaces de terre. 5.2 Les scénarios de stabilisation Plus précisément, la figure 12 montre (panneau en haut à gauche) l évolution des émissions permettant de stabiliser la concentration à diverses valeurs comprises entre 450 et 1000 ppm, l évolution de cette concentration (panneau en haut à droite) et celle de la température
(panneau du bas). Les barres d erreur sur ce dernier panneau indiquent l incertitude sur la température calculée pour 2100, tandis que les losanges indiquent la température d équilibre qui sera atteinte après des centaines d années et se maintiendra pendant des milliers d années. La concentration en CO 2, la température et le niveau de la mer continuent à croître longtemps apr ès que les émissions aient été réduites Figure 11 La stabilisation de la concentration en gaz carbonique exige une r éduction importante des émissions Figure 12
5.3 Les réserves en combustibles fossiles Le développement de tous les pays est largement fondé sur la disponibilité d énergie, essentiellement fournie par les combustibles fossiles (voir figure 6). Toutefois, les réserves du sous-sol sont limitées et elles seront épuisées dans un petit nombre de siècles. Notre développement est donc fondamentalement non durable. Malheureusement, pour le changement climatique, les ressources enfouies sont cependant trop grandes pour qu on puisse compter sur leur épuisement pour le juguler, comme le montre la figure 13. Figure 13 Les trois premières barres verticales indiquent en milliards de tonnes les ressources estimées en carbone sous forme de pétrole, gaz et charbon, la quatrième barre les consommations de 1850 à 2000, les barres bleus indiquent les émissions au cours du XXIème siècle correspondant aux scénarios de la figure 7, les barres vertes celles qui correspondent aux scénarios de stabilisation de la figure 12. On voit que si les ressources en pétrole et en gaz seront épuisées avant la fin du siècle, les ressources en charbon ne le seront pas. La conclusion à en tirer est que notre rapport à l énergie est non durable à court terme à cause du bouleversement du climat et à plus long terme seulement à cause de l épuisement des ressources. 5.4 La maîtrise du réchauffement climatique Il convient donc de limiter nos émissions de gaz à effet de serre pour éviter un bouleversement du climat de notre planète. Pour cela, on peut agir dans deux directions complémentaires : diminuer notre consommation en énergie à chaque fois que c est possible et utiliser des sources d énergie n émettant pas de gaz à effet de serre. On peut économiser de l énergie par une meilleure isolation thermique des murs des bâtiments, par l installation de doubles fenêtres ou par l utilisation de pompes à chaleur permettant de transférer de la chaleur de l intérieur à l extérieur d une maison ou vice versa pour chauffer ou climatiser les lieux d habitation. Il en va de même grâce au remplacement de véhicules surpuissants par des véhicules adaptés aux limitations de vitesse en vigueur,
généralement plus petits, plus faciles à garer et plus maniables en ville, ou encore par le choix de la marche à pied, exercice physique bon pour la santé de préférence à l utilisation de la voiture pour de courtes distances ou encore par le choix des transports en commun moins gourmands en énergie que les véhicules individuels. La réduction des émissions lors de la production d énergie peut être recherchée dans diverses directions. On peut capter et stocker dans des formations géologiques adaptées le gaz carbonique produit dans des centrales thermiques fixes. On sait produire industriellement de grandes quantités d électricité grâce aux grands barrages hydrauliques ou grâce aux centrales nucléaires. Les énergies renouvelables comme la biomasse (bois de chauffage, biocarburants), l énergie solaire (chauffe-eau solaires, panneaux solaires photovoltaïques produisant de l électricité), l énergie du vent (éoliennes), des courants marins, la géothermie, l énergie thermique des mers offrent de nouvelles voies qu il convient d explorer.