Résumé de Module 4 « Développement Durable »

Au début de 2017, je me suis inscrit à Coursera pour le cours « Développement Durable » qui consiste en huit modules : l'économie, la démographie, l'énergie, les ressources minérales, le climat, l'eau, l'agriculture et finalement un module de devoirs.

Le quatrième module de cours traite le climat. D'abord, on explique le fonctionnement du groupe intergouvernemental d'experts sur l'évolution du climat (GIEC). C'est un groupe international de scientifiques qui publie, tous les cinq ou six ans, des rapports de synthèse à destination de l'Organisation météorologique mondiale. Le dernier rapport date de 2013. On présente beaucoup des informations intéressantes de ce rapport, des informations sur le climat et son évolution. Toutes les informations sont illustrées par maintes graphiques et cartes.

Après la présentation des évolutions climatiques du dernier siècle, on poursuit par exposer les prédictions de futurs développements climatiques. On utilise quatre scénarios. Le scénario RCP 2.6 suppose un contrôle important des émissions de gaz à effet de serre. C’est le scénario le plus optimiste. Le scénario RCP 8.5 se base sur l'hypothèse d'une poursuite croissante de l'impact des émissions de gaz à effet de serre d'origine humaine sur le climat. C’est alors le scénario le plus pessimiste. On termine le module par présenter une figure de la synthèse qui illustre clairement une fois plus la nécessité de réduire les émissions du gaz à effet de serre.

Module 4  Climat

On est passé aujourd’hui à une phase d’observation du climat vraiment planétaire. La thermodynamique permet de comprendre le rôle du cycle de l’eau, de la vapeur d’eau, dans l’atmosphère et la physique classique des deux fluides qui répartissent la chaleur autour de la machine climatique : l’océan et l’atmosphère. Les transferts de rayonnements jouent un rôle déterminant dans le climat terrestre. On a développé d’outils de modélisation du climat, qui aujourd’hui reposent sur les supercalculateurs les plus puissants. Par connaissance des changements climatiques passés, on a pu tester les modèles de climats et par ça, on peut comprendre les facteurs clés qui agissent sur le fonctionnement du système planétaire.

Une vidéo illustre l’exercice de modélisation numérique du climat par une animation, de manière un peu schématique. D’abord, on découpe l’atmosphère en cubes, donc en mailles, typiquement deux degrés de latitude et de longitude, une quarantaine de niveaux verticaux. Puis, on résout les équations de la mécanique des fluides, des transferts radiatifs, donc, entre ces différents cubes. Par une représentation de la surface des continents, on prend en compte le relief, le type de couverture végétale, prairies ou forêts. On représente le cycle de l’eau à travers l’évaporation à la surface des océans, le transport d’humidité, les précipitations et le ruissellement. Ensuite, on prend en compte l’impact des activités humaines, en représentant l’usage des sols, le rejet de particules de pollution et celui de gaz à effet de serre. Finalement, on représente l’océan sous forme de cubes. On calcule le transport de chaleur, le transport de sel, à l’intérieur, entre ces différentes mailles. On représente l’effet de la turbulence sur les courants marins et les processus qui vont conduire à la sédimentation, et qui vont ainsi entraîner un piégeage du dioxyde de carbone au fond des océans.

Donc à partir de la mise en équations, on va utiliser les ordinateurs pour résoudre ces équations afin d’analyser les différents aspects de l’évolution du climat, en fonction de différents scénarios.

Le Groupe intergouvernemental d’experts sur l’évolution du climat (GIEC)

Les sciences du climat reposent sur une large communauté scientifique, environ 1 000 chercheurs, ou enseignants-chercheurs, en France, 20 000 dans le monde, plus de 15 000 publications scientifiques par an. On a établi un groupe intergouvernemental d’experts sur l’évolution du climat, GIEC, ou Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Le GIEC produit, tous les cinq ou six ans, des rapports de synthèse à destination de l’Organisation météorologique mondiale.

Les travaux du GIEC sont organisés en trois volets, pour faire l’évaluation de l’état des connaissances scientifiques, techniques, ou socio-économiques, au sujet des risques liés au changement climatique. D'abord, on address la physique du climat. Puis, on traite tous les impacts, les conséquences environnementales et socio-économiques du changement climatique, par région, par secteur d’activité, pour les écosystèmes. Finanelemt, on addresse des aspects économiques, et en particulier aux options d’adaptation et aux options d’atténuation, c’est-à-dire des actions qui visent à limiter l’impact des activités humaines sur le climat.

Le rapport de synthèse du GIEC 2013

Le rapport final est une coproduction entre science et politique et répond à la question posée par les politiques « quels sont les risques d’évolution future de climat, et à quoi devrons-nous nous adapter dans le siècle et les siècles à venir ? » Le rapport consiste en environ de 1 000 pages, donne lieu à un résumé technique (100 pages) et un résumé compact pour décideurs (20 pages, 14 000 mots et 19 points clés). Celui-ci est approuvé mot par mot, ligne par ligne, dans une session plénière qui regroupe à la fois la communauté de ces auteurs, et les représentants des différents gouvernements. Le rapport est organisé en 14 chapitres et repose sur 9 200 publications scientifiques. Au total, il a reçu plus de 50 000 commentaires de plus de 1 000 experts de la communauté scientifique. Le résumé pour décideurs, qui va faire l’objet des diapositives suivantes, est très compact.

Le changement climatique

Les changements du climat

Le réchauffement climatique est sans équivoque. Un climat qui change, c’est un climat où l’atmosphère et les océans se sont réchauffés, la quantité de neige et de glace a diminué, le niveau des mers s’est élevé, et enfin, les concentrations de gaz à effet de serre ont augmenté. La figure montre une vue d’ensemble des différents changements qui sont observés. L’atmosphère peut contenir, en moyenne, 7 % d’humidité en plus par degré de réchauffement.


Réchauffement

On observe un réchauffement, une augmentation du contenu de chaleur des océans, qui tient à un réchauffement en profondeur, une diminution de la couverture de banquise, donc c’est l’eau de mer qui gèle à sa surface. Enfin, on observe une augmentation du niveau moyen des mers, qui résulte de trois facteurs : fonte des glaces continentales, fonte des calottes polaires, et augmentation de la température des océans et dilatation.

Tendances de température entre 1901 et 2012

La carte ci-dessus montre les tendances de températures entre les années 1901 et 2012. La seconde figure montre la structure de ce réchauffement au cours du temps.

Le graphique ci-dessous présente l’évolution des températures moyennes à la surface de la Terre, en haut : année par année, et en bas : 10 pas par 10 ans. Chacune des trois dernières décennies a été successivement plus chaude à la surface de la Terre, que toutes les décennies précédentes depuis 1850. Par ailleurs, dans l’hémisphère nord, la période des derniers 30 ans est la plus chaude depuis plus de 1 400 ans.

Évolution des températures moyennes à la surface de la Terre

Le réchauffement des océans représente plus de 90 % de l’énergie accumulée dans le système climatique. Sur 100 % d’énergie en plus, le réchauffement de l’atmosphère ne représente que 1 % de cette énergie supplémentaire. Le reste est l’énergie utilisée pour faire fondre les glaces et le réchauffement les sols continentaux.

Dans l’hémisphère nord, on observe une diminution de la couverture de neige. Sur les continents, on observe également une diminution du volume des glaciers de pratiquement toutes les régions du monde.

La figure ci-dessous montre l’évolution du niveau moyen marin, mesurée par des marégraphes, in situ, et puis depuis environ 1993, par satellite. C’est la courbe rouge à la fin de cette figure. Sur le XXe siècle, le taux d’augmentation moyen du niveau des mers, est d’environ 19 cm.

Précipitation sur la terre

Les changements de précipitations ont une structure spatiale plus bruité que les changements de température. On les étudie sur des périodes plus longues pour détecter des tendances de long terme. Sur une période plus courte, on peut être biaisé par des fluctuations, d’une dizaine d’années à l’autre. On observe une structure très contrastée, avec une tendance à la diminution des précipitations dans les régions de climats méditerranéens et une augmentation dans les régions de climats tempérés ou polaires. Cette intensification des contrastes dans le cycle de l’eau est confirmée également par des mesures en mer. La mesure de la salinité de l’eau de mer permet en effet d’intégrer les changements du cycle de l’eau à l’échelle d’un bassin océanique. On observe également que les régions océaniques à salinité élevée, c’est-à-dire celles où l’évaporation domine sur les précipitations, deviennent plus salées, tandis que les régions de faible salinité, deviennent moins salées.

Les concentrations de dioxyde de carbone ont augmenté de 40 % depuis la période préindustrielle. Cette augmentation s’explique en premier lieu, par l’utilisation des combustibles fossiles, et en second lieu, par les émissions nettes liées aux changements d’usages des sols. Aujourd’hui, la concentration en dioxyde de carbone dans l’atmosphère est plus que 400 parties par million. C’est un niveau beaucoup plus élevé depuis au moins 800 000 ans. L’augmentation des rejets de dioxyde de carbone dus aux activités humaines, entraîne une acidification des océans. Donc l’océan, absorbe environ 30 % des émissions anthropiques de dioxyde de carbone, et le PH des océans a baissé en moyenne de 0,1 unité depuis une vingtaine d’années.

CO2 émissions et absorptions annuelles 

Ces augmentations de dioxyde de carbone viennent de la consommation d’énergies fossiles, leur combustion, donc pétrole, gaz naturel et charbon, de la production de ciment ; et enfin, elles de la déforestation : le fait de brûler des forêts entraîne une augmentation des teneurs en dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

Modèles climatiques et activités humaines

On peut mesurer l’impact des différents composés liés aux activités humaines sur le climat par comparer leur effet radiatif. Le graphique ci-dessus montre que la concentration en dioxyde de carbone (1,5 W/m²) et la concentration en méthane jouent le plus grand rôle en le réchauffement. La présence de certaines particules de pollution, comme les aérosols de sulfates, peut en effet refroidir le climat par réfléchir une partie du rayonnement solaire vers l’espace. C’est pour ça que la barre d’erreur est beaucoup plus importante dans le graphique. Les aérosols de sulfates ont un effet direct sur le rayonnement solaire, et ils peuvent également favoriser la formation de certains types de nuages qui, eux-mêmes, peuvent avoir des effets réchauffants ou refroidissants. C’est un des principaux points d’incertitude sur le fonctionnement du climat global.

Impact des différents composés liés aux activités humaines sur le climat (effet radiatif)

L’effet des activités humaines net au réchauffement, en 1950, est d’environ 0,5 W/m². Il a doublé entre les années 1950 et 1980, avec un peu plus de 1 W/m². Malgré les incertitudes sur les aérosols, l’effet net des activités humaines est positif en 2011, par rapport à la période préindustrielle, et dépasse les 2,2 W/m².

Depuis le rapport précédent de 2007, des modèles de climat se sont améliorés. Maintenant, ils représentent correctement la structure et les tendances des changements de température, à grande échelle, au cours du XXe siècle, et ils arrivent également à assimiler les conséquences d’éruptions volcaniques majeures et le refroidissement qui suit pendant quelques années ces éruptions volcaniques.

On a fait également d’autres tests sur ces modèles de climat, comme les confronter à des données de climats passés, climat glaciaire par exemple. C’est en effet un test clé, la vérification qu’on est capable de simuler correctement des climats très différents de la période actuelle, pour lesquels ces modèles sont mis au point.

Les deux figures ci-dessous montrent le rôle des activités humaines dans l’évolution du climat globalement et région par région. Les courbes bleues montrent l’évolution du climat pour seulement des facteurs naturels, les activités des volcans et l’activité du Soleil. Les courbes en rose prenant en compte l’impact des activités humaines, comme le changement d’usage des sols, les rejets de particules de pollution et les rejets de gaz à effet de serre. Les lignes noires représentent des observations.

La tendance mondiale de la tempèrature entre 1901 - 2010

Les tendances regionales de la tempèrature entre 1901 - 2010

Dans tous les cas, on observe un effet déterminant des activités humaines, quand la courbe, en rose, se distingue de la courbe en bleu. Ça veut dire que les activités humaines ont entraîné une évolution du climat qui sort de la gamme de ces variations naturelles.

On observe, avec un degré de confiance moyen à élevé, une augmentation de deux phénomènes extrêmes : l’intensité et la fréquence des vagues de chaleur et les événements de très fortes précipitations.

Évolutions possibles du climat

Pour explorer les risques possibles d’évolution future du climat on construit des scénarios. Le scénario RCP 2.6 suppose un contrôle important des émissions de gaz à effet de serre. Le scénario rouge, le RCP 8.5, fait l’hypothèse d’une poursuite croissante de l’impact des émissions de gaz à effet de serre d’origine humaine sur le climat.

Prédiction des émissions de CO2 selon quatre scénarios

On peut préciser les trajectoires d’émission de gaz à effet de serre compatibles avec ces scénarios. Aujourd’hui on émet environ 9,5 téta grammes de carbone par an. Les trajectoires compatibles avec le scénario 2.6 consistent en une stabilisation de ces émissions dans les prochaines 10, 20 ans, et une diminution pour atteindre des valeurs quasiment nulles à horizon 2050. Par contre, le scénario rouge 8.5 montre une augmentation de ses émissions annuelles de dioxyde de carbone qui doubleraient ou tripleraient d’ici à la fin de ce siècle.

Le scénario 2.6 prédit une augmentation de la température moyenne à la surface du globe en dessous de 1,5 degré à horizon 2100 par rapport au climat préindustriel. Pour scénario 8.5, ça sera moyen de l’ordre de 4 degrés. Pour comparer, le changement climatique le plus important que l’espèce humaine a connu, c’est le changement entre une période glaciaire et une période chaude. Il correspond à un changement de l’ordre de 4 à 5 degrés qui s’est produit en 10 000 ans ! Donc la trajectoire de scénario 8.5 correspond à un changement extrêmement brutal par rapport au rythme passé naturel de l’évolution du climat.

Prédicton de l'augmentation de la témperature mondiale

La structure spatiale du réchauffement entre la fin du XXe siècle et la fin du XXIe siècle est présentée sous forme de quatre cartes ci-dessous. Les conclusions majeures c’est que le contraste de précipitations entre les régions humides et sèches, entre les saisons humides et sèches va augmenter avec parfois des exceptions régionales. On va observer des conséquences hétérogènes selon les régions pour ce qui touche au cycle de l’eau. Il est très probable que des vagues de chaleur seront plus fréquentes et dureront plus longtemps. Les événements de précipitations extrêmes deviendront probablement plus intenses et fréquents sur les continents à nos latitudes mais aussi dans les régions de mousson d’ici à la fin de ce siècle.

Prédiction de la température et de la précipitation

À la fin de l’été, au mois de septembre, l’extension de banquise est sur les dernières années de l’ordre de six millions de kilomètres carrés. Dans le scénario 2.6, on aurait encore de l’ordre de deux millions, trois millions de kilomètres à la fin du siècle. Dans le scénario 8.5 on aurait en moyenne, moins d’un million de kilomètres carrés de banquise dans la deuxième moitié du XXIe siècle. Les cinq modèles de climats qui simulent le mieux l’extension de banquise sur les derniers 20 ans, ces modèles simulent un océan Arctique libre de glace, avec moins d’un million de kilomètres carrés de banquise, dès 2050.

Dans le scénario 2.6, on aurait la poursuite d’une diminution du pH de l’océan. Donc, une baisse déjà observée de 0,1 unité, et la même amplitude au cours de ce siècle. Par contre, dans le scénario 8.5, le pH de l’océan pourrait perdre encore 0,3 unités. Le changement climatique va affecter tous les processus liés au cycle du carbone, comme la fabrication de l’aragonite ou de la calcite, ce qui est critique pour les squelettes des micro-organismes marins.

Prédiction de l’acidification des océans

Dans le scénario 2.6, on estime que la montée du niveau moyen des mers va se poursuivre à un rythme plus important qu’au XXe siècle (c’est-à-dire 20 centimètres), 40 centimètres simulés à horizon de 2100. Dans le scénario 8.5, presque 80 centimètres. C’est dans les régions tropicales qu’on aura la montée la plus importante du niveau des mers. Seul l’effondrement des parties marines de la calotte antarctique, s’il se déclenchait, pourrait entraîner une montée des mers plus importante que ces calculs précédents.

Prédiction de la montée du niveau marin

Synthèse des simulations

La figure de la synthèse représente le plus important point du rapport. Sur l’axe horizontal, on a mis les émissions cumulées de dioxyde de carbone, liées aux activités humaines. Sur l’axe vertical on a mis les résultats en termes de changement de température. Les changements observés sont les petits cercles noirs. Ensuite, avec différentes couleurs, on représente les différents scénarios. L’enveloppe grise représente seule les émissions de dioxyde de carbone. L’enveloppe orangée prend aussi en compte les autres gaz à effet de serre.

Aujourd’hui, nous avons déjà émis plus de 500 Gigatonnes de carbone. Pour ne dépasser les températures par deux degrés, il ne faudrait pas dépasser le rejet de 1 000 Gigatonnes de CO2 depuis la période préindustrielle. Si on prend en compte les autres gaz à effet de serre comme le méthane, cet objectif devient plus bas, 800 Gigatonnes de CO2. On émet aujourd’hui de l’ordre de 10 Gigatonnes par an. Alors, d’ici 20 à 30 ans, au rythme actuel, on aura émis une telle quantité de dioxyde de carbone qu’on dépassera l’objectif de ne pas dépasser deux degrés.

Synthèse des simulations

Il est très probable que plus de 20 % des émissions de CO2 par les activités humaines seront dans l’atmosphère plus de 1 000 ans après l’arrêt des émissions. La plupart des caractéristiques du changement climatique vont persister pendant plusieurs siècles même si les émissions de CO2 sont arrêtées !