Cet article résume les connaissances actuelles concernant les rapports entre gaz à effet de serre et climat. Il se base pour l’essentiel sur les rapports du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) et sur d’autres sources dont les références sont indiquées à la fin. L’article aborde les points suivants :

1 – L’effet de serre et le climat

2 – Y a-t-il saturation ?

3 – Que nous disent les archives climatiques ?

4 – Quelle est la sensibilité climatique au CO2 ?

1 – L’effet de serre et le climat

Le rayonnement solaire est la source principale d’énergie sur Terre. Le soleil détermine le climat de la Terre en émettant de l’énergie sous la forme d’ondes très courtes, principalement dans la partie visible ou quasi visible du spectre.

La quantité d’énergie qui atteint la couche supérieure de l’atmosphère terrestre chaque seconde par mètre carré de surface faisant face au soleil pendant la période diurne représente environ 1 370 watts. Mais comme l’exposition au soleil n’est pas directe partout, la quantité d’énergie moyenne par mètre carré par seconde à l’échelle planétaire n’en représente qu’un quart (342 watts).

Environ 30% de la lumière solaire qui atteint les couches supérieures de l’atmosphère est réfléchi vers l’espace. Les deux tiers de cette réflectivité proviennent des nuages et des petites particules de l’atmosphère : les aérosols. Le dernier tiers de la lumière du soleil est réfléchi par les zones de la surface terrestre de couleur claire : principalement la neige, la glace, et les déserts.

L’énergie qui n’est pas renvoyée vers l’espace est absorbée par la surface de la Terre et par l’atmosphère. Elle représente environ 240 watts par mètre carré (W/m^-2). Afin de compenser l’énergie entrante, la Terre elle-même doit émettre vers l’espace une quantité moyenne équivalente d’énergie. Elle le fait en émettant un rayonnement à grande longueur d’onde. Pour émettre 240 watts par m2, une surface doit être à une température d’environ -19°C. Température beaucoup plus froide que celle qui prévaut à la surface de la Terre : la température moyenne de la surface du globe est d’environ 14°C. La température requise de -19°C se trouve à une altitude de 5 km environ au dessus du sol.

Si la Terre est en moyenne à 14°C et non -19°C, c’est parce que des gaz à effet de serre opacifient partiellement les rayonnements à grande longueur d’onde provenant de la surface. Un gaz à effet de serre est un gaz dont les molécules sont susceptibles d’absorber une partie du rayonnement infrarouge. Les principaux gaz à effet de serre sont la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone.

La vapeur d’eau est le gaz à effet de serre le plus abondant dans l’atmosphère, responsable de 60% de l’effet de serre par temps clair. Cependant, les changements dans sa concentration sont le résultat de rétroactions climatiques liées au réchauffement de l’atmosphère plutôt qu’un effet direct des activités humaines.

La production naturelle et l’absorption du dioxyde de carbone (CO2) est réalisée à travers la biosphère terrestre et l’océan. Mais l’humanité a modifié le cycle naturel du carbone en brûlant du charbon, du pétrole, du gaz naturel et du bois depuis le début de la révolution industrielle, au milieu des années 1700. Le CO2 produit par l’utilisation des combustibles fossiles et du bois a une composition isotopique différente de celle caractéristique des autres sources de gaz carbonique dans l’atmosphère, c’est pourquoi on peut affirmer que l’augmentation récente est liée aux activités humaines. La concentration de CO2 atmosphérique est passée de 280 ppm avant l’ère industrielle à près de 410 ppm aujourd’hui.

De ce qui précède, on peut dire que l’équilibre du rayonnement sur Terre peut être modifié de trois manières fondamentales :

1 – modification du rayonnement solaire entrant (occasionné par exemple par des variations au niveau de l’orbite terrestre ou du Soleil lui-même) ;

2 – modification de la fraction réfléchie du rayonnement solaire : l’albédo. Par exemple par des changements au niveau de la couverture nuageuse, des particules atmosphériques ou de la végétation. L’albédo moyen de la Terre de 0,3 : cela signifie que 30% du rayonnement solaire est réfléchi.

3 – modification du rayonnement à grande longueur d’onde émis par la Terre vers l’espace (par exemple par les variations des concentrations de gaz à effet de serre). Le climat réagit à ces modifications directement et indirectement par divers mécanismes de rétroaction.

Si l’un de ces facteurs change de façon significative, l’énergie absorbée sera plus importante que celle émise (ou inversement). La température de la Terre augmentera (ou diminuera) jusqu’à ce qu’un nouvel équilibre soit atteint.

Estimation de la moyenne annuelle et mondiale du bilan énergétique de la Terre. À long terme, la quantité de rayonnement solaire entrant absorbé par la Terre et par l’atmosphère s’équilibre grâce à la Terre et à l’atmosphère qui dégagent une quantité équivalente de rayonnement sortant à grande longueur d’onde. Près de la moitié du rayonnement solaire entrant est absorbé par la surface de la Terre. Cette énergie est retransmise vers l’atmosphère grâce au réchauffement de l’air à la surface (les thermiques) ou par l’évapotranspiration, ainsi que par les rayonnements à grande longueur d’onde qui sont absorbés par les nuages et les gaz à effet de serre. À son tour, l’atmosphère renvoie l’énergie à grande longueur d’onde vers la Terre, ainsi que vers l’espace. Source : Kiehl et Trenberth (1997).

2 – Y a-t-il saturation ?

Certains prétendent qu’il y a déjà tellement de CO2 dans l’air que son effet sur le rayonnement infrarouge est saturé. Selon cette thèse, l’ajout de CO2 aurait d’autant moins d’effet que la vapeur d’eau bloque déjà massivement les rayons infrarouges. Il est vrai que dans le spectre infrarouge, les bandes principales où chaque gaz bloque le rayonnement se chevauchent. Comment l’ajout de CO2 pourrait-il affecter le rayonnement dans les bandes du spectre que H2O a déjà rendu opaque ?

Pour comprendre cette polémique, il faut savoir que tous les gaz atmosphériques ont un mode unique d’absorption d’énergie : ils absorbent certaines longueurs d’onde d’énergie mais sont transparents pour les autres. Pour la vapeur d’eau, la plus forte absorption se produit dans les bandes spectrales aux longueurs d’onde plus longues que 17μm et plus courtes que 8μm environ. Les bandes d’absorption les plus fortes de CO2 sont celles à 15μm et 4,3μm, suivies par des bandes plus faibles autour de 10μm.

On peut voir ci-dessous que les profils d’absorption de la vapeur d’eau (pics bleus) et du dioxyde de carbone (pics roses) se chevauchent sur certaines longueurs d’onde. Le dioxyde de carbone n’est pas un gaz à effet de serre aussi puissant que la vapeur d’eau, mais absorbe l’énergie dans les longueurs d’onde (12-15 micromètres) que la vapeur d’eau ne ferme pas.

Source : NASA. (Illustration adaptée de Robert Rohde.)

Si le centre de la bande 15μm est saturé, les ailes du groupe et en particulier les bandes 10μm deviennent dominantes pour déterminer les effets radiatifs et ceux-ci sont loin d’être saturés.

Quoi qu’il en soit, toute saturation aux niveaux inférieurs n’empêcherait pas le CO2 de réchauffer l’atmosphère, puisque ce sont les couches d’où s’échappe le rayonnement qui déterminent l’équilibre thermique de la planète. Or il n’y a pas de saturation à ce niveau. Et la vapeur d’eau ne supplante pas les effets du CO2 car il y a peu de vapeur d’eau dans les hautes régions froides d’où s’échappe l’infrarouge.

La température et la teneur en vapeur d’eau dans la troposphère diminuent rapidement avec l’altitude et la majeure partie de la vapeur d’eau dans la troposphère est donc concentrée dans la zone plus basse et plus chaude.

Au fur et à mesure que le rayonnement infrarouge s’élève couche par couche dans l’atmosphère, le dioxyde de carbone, la vapeur d’eau ou d’autres gaz à effet de serre absorbent un peu d’énergie. Chaque couche d’air rayonne une partie de l’énergie qu’elle a absorbée vers le sol et une partie vers les couches supérieures. Plus haut, l’atmosphère devient de plus en plus mince. Finalement, l’énergie atteint une couche si mince que le rayonnement peut s’échapper vers l’espace.

Altitude de la perte de chaleur. Source : Skepticalscience.com.

Si l’on ajoute du CO2 dans l’atmosphère, l’endroit à partir duquel la plus grande partie de l’énergie thermique qui quitte finalement la Terre se déplacera vers les couches supérieures. Comme les niveaux plus élevés rayonnent une partie de l’excès vers le bas, tous les niveaux inférieurs jusqu’à la surface se réchauffent.

3 – Que nous disent les archives climatiques ?

Il est difficile de reconstituer le climat de la Terre à ses débuts, il y a 4,5 milliards d’années. Les scientifiques ont quand même pu déterminer que la planète avait connu des périodes bien plus chaudes qu’aujourd’hui et plusieurs phases glaciaires.

Dans un système solaire chaotique, notre jeune planète a été intensément bombardée par des météorites et cette période fut sans doute très chaude. Le soleil était pourtant 30% plus faible qu’aujourd’hui. Même lorsque les collisions ont cessé, les températures seraient restées élevées lors de la période suivante, dite de l’Archén. Une moyenne globale entre 30°C et 100°C, probablement en raison d’un puissant effet de serre dû à la vapeur d’eau, au CO2 et au méthane.

Il y a 2,4 milliards d’années, les premières formes de vie capables de réaliser la photosynthèse ont changé la composition de l’atmosphère. Les cyanobactéries, fabriquant leur matière organique à partir de l’énergie solaire, ont fixé le CO2 et libéré de l’oxygène. C’est à cette époque que l’on a identifié une première glaciation, appelée “glaciation huronienne”.

Sur le dernier million d’années, la planète a connu de longues périodes froides de 100 000 ans entrecoupées de phases plus chaudes de 10 000 à 20 000 ans. Les recherches ont permis d’identifier deux mécanismes principaux pour expliquer ces variations du climat : la position de la Terre par rapport au Soleil et la teneur de l’atmosphère en CO2.

Les prélèvements dans les calottes de glace de l’Antarctique et du Groenland ont apporté une mine d’informations et ont permis notamment de reconstituer l’évolution des températures. Les scientifiques ont ainsi pu constater qu’elles suivaient fidèlement celle des niveaux de CO2. Les archives glaciaires montrent que les concentrations actuelles de gaz à effet de serre sont les plus élevées depuis au moins 800 000 ans.

On peut voir ci dessous la série de périodes glaciaires de 100 000 ans entrecoupées de phases plus chaudes de 10 000 à 20 000 ans :

Concentrations de CO2 et températures de l’Antarctique des 800 000 dernières années (source : NASA)

La corrélation est impressionnante mais une question se pose si l’on observe le timing avec précision : sur la base de ces données de carottes glaciaires antarctiques, les variations de CO2 suivent les changements de température d’environ 600 à 1000 ans… La hausse CO2 ne serait-elle pas une conséquence plutôt qu’une cause des variations ?

En fait, la sortie des glaciations ne s’amorcerait pas grâce au CO2 mais en raison d’un changement de l’orbite terrestre (les cycles de Milankovitch) qui modifie la répartition de l’ensoleillement à la surface de la Terre. L’Arctique est lors de certaines périodes davantage exposé au rayonnement solaire. Le fort réchauffement de l’Arctique lié au forçage solaire entraîne une fonte des glaces de l’hémisphère nord. D’où une réduction de l’albédo : la fonte des glaces amplifie encore le réchauffement car la terre et l’océan renvoient moins les rayons du soleil que la glace ou la neige.

Cette fonte des glaces de l’hémisphère nord affaiblit la circulation de l’océan Atlantique avec un apport massif d’eau douce. L’eau de fonte glaciaire est douce et ne plonge pas comme l’eau salée, ce qui ralentit le « tapis roulant océanique ». Le ralentissement de la circulation océanique prive les hautes latitudes de la chaleur venue des Tropiques tandis que l’Antarctique se réchauffe.

Lorsque l’océan austral se réchauffe, la solubilité du CO2 dans l’eau diminue. Cela conduit les océans à relâcher plus de CO2 dans l’atmosphère. Ce dioxyde de carbone réchauffe alors uniformément la planète, parachevant la sortie de l’ère glaciaire.

Nous sommes actuellement dans une période interglaciaire. La déglaciation entamée il y a 19 000 ans s’est soldée par une hausse de la température moyenne de 5°C et une élévation de la mer d’une centaine de mètres.

Ce réchauffement fut cependant moins rapide que celui observé lors 135 dernières années. Depuis que l’influence de l’homme sur le climat est prédominante, les températures se sont élevées à un rythme environ 10 fois plus rapide.

Les indices récoltés dans la glace, les cernes des arbres et les coraux ont permis de reconstruire les températures du passé récent. Pour l’hémisphère nord, la période 1983-2012 a probablement été la période de 30 ans la plus chaude des 1400 dernières années. La période controversée de l’Optimum Médiéval (de 950 à 1250), aurait connu des températures proches des niveaux actuels mais seulement dans certaines régions.

Le changement climatique aujourd’hui est généralisé. Il a été déclenché par le CO2, c’est toute la différence. Le point clé, aujourd’hui, est donc la sensibilité climatique au CO2.

4 – Quelle est la sensibilité climatique au CO2 ?

La réponse brute à un doublement de la concentration de CO2 est de 1,2 °C. Mais avec les rétroactions, cette valeur peut être augmentée, on parle de sensibilité climatique.

Les scientifiques du climat utilisent diverses sources pour estimer la sensibilité climatique : l’histoire des variations de température tirées des observations instrumentales (depuis 150 environ), les données paléoclimatiques ou encore les modèles.

Les auteurs du dernier rapport du GIEC affirment qu’un doublement des niveaux de dioxyde de carbone amènera probablement une hausse la température mondiale de 1,5° C à 4,5 °C par rapport aux températures préindustrielles. Le processus complet pourrait prendre des centaines d’années. C’est la sensibilité climatique à un doublement du CO2. Il s’agit donc de la hausse de température obtenue une fois que toutes les rétroactions auront agi.

Pour comprendre ce calcul, il faut rappeler que les scientifiques utilisent la notion de « forçage radiatif » pour mesurer la différence entre l’énergie radiative reçue et l’énergie radiative émise par le système climatique. Ce « forçage » est mesuré en Watts par mètre carré (W m-2). Les climatologues convertissent ainsi l’impact des gaz à effet de serre atmosphériques et de l’albédo en changement équivalent de rayonnement du soleil.

Les variations liées à l’irradiance solaire sont d’environ 0,25 W m-2 (ce type de variation n’a rien à voir avec les changements de la position de la Terre par rapport au soleil). Nous allons voir que le CO2 peut avoir un impact beaucoup plus important aux échelles de temps qui nous intéressent.

Irradiance solaire depuis l’ère des satellites. L’énergie solaire reçue en moyenne est de ~240 W/m2, donc le chiffre est à diviser par quatre, soit ~0.25 W/m2. (Credit: NASA/GISS).

Par exemple, si l’atmosphère contient 400 ppm de CO2, ajouter 82 ppm supplémentaires de CO2 équivaut à une hausse de l’énergie du soleil de 1 W m-2. Depuis l’ère préindustrielle, la concentration de CO2 est passée de 280 ppm à près de 410 ppm aujourd’hui, soit un forçage de 2 W m-2, huit fois plus important que les variations naturelles dues au soleil.

La relation entre le dioxyde de carbone et le forçage radiatif est logarithmique : des concentrations accrues ont un effet de réchauffement progressivement plus petit.

Pour calculer le forçage radiatif, l’équation utilisée dans les rapports du GIEC est la suivante : ΔF = 5.35 ln (C/C_o)

« ΔF » correspond au forçage radiatif en Watts/m2 ; «C» est la concentration de CO2 atmosphérique, et «C_o» est la concentration de CO2 de référence.

Par exemple, avec un passage de 280 à 410 ppm, on obtient l’équation suivante :

ΔF = 5.35 ln (410/280) = 2 W m-2

Voici un tableau d’équivalence entre concentration de CO2 et forçage radiatif :

La sensibilité climatique est l’estimation de la sensibilité du climat à l’augmentation du forçage radiatif. On peut l’exprimer par l’équation suivante :

ΔT = λ * ΔF

Où « ΔT » correspond à l’augmentation de la température ; « λ » est la sensibilité climatique ; « ΔF » le forçage radiatif en Watts/m2.

Le dernier rapport du GIEC estime que la sensibilité climatique se situe entre 0,54 et 1,2°C /(W/m2).

Avec le forçage actuel (2 W m-2), on obtiendrait donc la hausse de température suivante :

ΔT = λ * ΔF = (0,54 à 1,2)*2 = 1,08 à 2,4°C.

Mais comme les températures ne dépendent pas du seul CO2, d’autres paramètres et sont à prendre en compte, notamment le méthane, les autres gaz à effet de serre, les aérosols, etc… On peut voir ci dessous une synthèse des différents forçages présentés par le GIEC :

Forçage radiatif par rapport à 1750 ( W/m2). Source : GIEC AR5.

Pour les échelles de temps de 50 à 100 ans, il faut parler de « réponse climatique transitoire », ou « transient Climate Response » (TCR) en anglais. La TCR n’est pas la réponse climatique totale mais de l’augmentation de la température au moment où le doublement de la concentration de CO2 est atteint. Il ne faut pas confondre cette réponse climatique transitoire à la sensibilité climatique (Equilbrium Climate Sensitivity, ECS) qui représente l’élévation atteinte lorsque les températures se seront totalement stabilisées, ce qui intervient plus tard.

Le dernier rapport du GIEC indique que la TCR se situerait dans une fourchette de 1°C à 2,5°C pour un doublement de la concentration de CO2. Mais il est difficile de déterminer avec précision la réponse climatique en raison de certaines incertitudes, notamment les rétroactions liées aux nuages.

Pour prévoir comment évoluera le climat au 21e siècle, quatre scénarios de référence ont été présentés lors du dernier rapport du GIEC en 2013.

Le RCP 8.5 prévoit un forçage radiatif de 8,5 W/m2 en 2100. Ce scénario se solderait pas une forte élévation de la température mondiale : jusqu’à 3 degrés au milieu du siècle et plus de 5 degrés en 2100 par rapport à l’ère préindustrielle. Certaines régions connaîtraient un réchauffement encore plus marqué, notamment l’Arctique, avec +12°C dans l’hypothèse pessimiste.

Totalement à l’opposé, le RCP 2.6 prévoit des réductions d’émissions importantes dès les années 2020 avec un fort déclin de l’utilisation du pétrole et un recours à la bioénergie. Le forçage radiatif connaîtrait un pic à 3 W/m2 au milieu du siècle et une baisse par la suite. C’est le plus susceptible de respecter l’objectif d’une limitation du réchauffement de 2°C par rapport à l’ère préindustrielle.

Les scénarios RCP 4.5 et RCP 6.0 sont proches en matière mix énergétique, dominé par le charbon, le pétrole et le gaz naturel. RCP 4.5 prévoit un pic d’émissions de CO2 plus précoce, aux alentours de 2040, et une baisse plus marquée que RCP 6.0.

Les scénarios divergent dans la deuxième moitié du 21è siècle. Les écarts les plus importants pour les prévisions de températures sont donc à attendre vers la fin du siècle.

A part RCP 2.6, les autres projections tablent sur un réchauffement encore plus important au-delà de 2100. En raison d’un pic plus tardif des émissions de CO2, le scénario RCP 8.5 atteindrait +8,4°C en 2300. La température moyenne à la surface du globe dépasserait alors les 22°C contre 14°C au 20è siècle.

Sources :

GIEC – The physical science basis, 2013

NASA – Climate forcings and global warming

NASA – Earth’s energy imbalance

RealClimate – A saturated gassy argument

SkepticalScience – Is the CO2 effect saturated ?

Jean-Louis Dufresne et Jacques Treiner – L’effet de serre atmosphérique : plus subtil qu’on ne le croit !

Feng He et al. – Northern Hemisphere forcing of Southern Hemisphere climate during the last deglaciation

Jeremy D. Shakun – Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation

Bruce Parker – Radiative Forcing, Climate Sensitivity, and Global Warming

Skepticalscience – How sensitive is our climate ?