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Sciences de la Terre et de l’Univers du lycée · শ্রেণি 10–12

28Le changement climatique : observations, causes et projections

Haut sur le versant nord du Mauna Loa, un volcan situé au milieu de l’océan Pacifique, un groupe de bâtiments blancs se dresse sur la lave nue, à $3397\,\mathrm{m}$ au-dessus de la mer. Là-haut, au-dessus de la couche d’air polluée par l’île située en contrebas et à des milliers de kilomètres de toute grande ville, l’air est à peu près aussi propre et aussi bien mélangé que l’atmosphère de la planète entière. Depuis mars 1958, on y mesure son dioxyde de carbone presque sans interruption. L’enregistrement a commencé comme le projet d’un chimiste ; il est devenu la courbe la plus célèbre des sciences de la Terre. Ce chapitre lit cette courbe et les autres enregistrements du climat, explique comment un changement de l’air modifie le bilan énergétique de la planète, comment les scientifiques établissent la cause du réchauffement qu’ils observent, et ce qu’ils projettent pour les décennies à venir.

L’observatoire du Mauna Loa, à Hawaï, sur d’anciennes coulées de lave, haut sur le flanc nord du volcan. Photographie : Brian Vasel, NOAA (domaine public).

Tu sais déjà

La Terre reçoit de l’énergie du Soleil sous forme de lumière et en perd en moyenne autant vers l’espace sous forme de rayonnement infrarouge ; la fraction de la lumière solaire réfléchie est l’albédo (Chapitre 3). Les gaz à effet de serre — vapeur d’eau, dioxyde de carbone, méthane — absorbent une partie de l’infrarouge émis par la surface et en renvoient une partie vers le bas ; cet effet de serre maintient la surface bien plus chaude qu’elle ne le serait autrement (les livres de chimie, et le livre 1, année 9). Les carottes de glace gardent des bulles d’air ancien et enregistrent les cycles glaciaires des 800 000 dernières années (Chapitre 27).

28.1 Les enregistrements

La teneur de l’air en dioxyde de carbone au Mauna Loa : moyennes mensuelles (trait) et moyennes annuelles (points), en parties par million (ppm) d’air sec. Données : NOAA Global Monitoring Laboratory et Scripps Institution of Oceanography.

Proposition 28.1 (L’enregistrement du dioxyde de carbone)

Au Mauna Loa, la concentration moyenne annuelle de dioxyde de carbone est passée de $316.0\,\mathrm{ppm}$ en 1959 à $427.4\,\mathrm{ppm}$ en 2025, et la hausse s’accélère : la concentration a augmenté d’environ $0.9\,\mathrm{ppm}$ par an dans les années 1960 et d’environ $2.6\,\mathrm{ppm}$ par an entre 2015 et 2025. Chaque année, la concentration oscille aussi d’environ $7\,\mathrm{ppm}$ : elle est la plus haute en mai et la plus basse en septembre.

Remarque 28.2 (Pourquoi la courbe a des dents)

L’oscillation annuelle est la respiration de la végétation de l’hémisphère Nord, où se trouvent la plupart des plantes terrestres. Au printemps et en été, les plantes absorbent par photosynthèse plus de dioxyde de carbone qu’elles et le sol n’en libèrent ; en automne et en hiver, la décomposition et la respiration l’emportent. La hausse d’une année à l’autre est une autre histoire : c’est le carbone des combustibles fossiles et des forêts défrichées qui s’accumule dans l’air.

Proposition 28.3 (Plus élevé que depuis au moins deux millions d’années)

Au cours des 800 000 dernières années, les bulles d’air de la glace antarctique enregistrent des concentrations de dioxyde de carbone comprises entre environ $174\,\mathrm{ppm}$ , pendant les périodes glaciaires les plus froides, et $299\,\mathrm{ppm}$ , pendant les interglaciaires les plus chauds. La valeur actuelle dépasse la plus élevée d’entre elles de plus de $100\,\mathrm{ppm}$ . Les évaluations établissent que la concentration de 2019 était plus élevée qu’à aucun moment depuis au moins deux millions d’années (degré de confiance élevé).

Le dioxyde de carbone de la glace antarctique sur 800 000 ans : les cycles glaciaires le font varier entre environ 180 et 300\, ppm. La fine pointe à l’extrémité droite est la glace la plus récente, qui enregistre le début de la hausse actuelle, jusqu’en 2001. Données : Bereiter et ses collègues (2015), NOAA Paleoclimatology. — Le dioxyde de carbone de la glace antarctique sur 800 000 ans : les cycles glaciaires le font varier entre environ 180 et $300\,\mathrm{ppm}$ . La fine pointe à l’extrémité droite est la glace la plus récente, qui enregistre le début de la hausse actuelle, jusqu’en 2001. Données : Bereiter et ses collègues (2015), NOAA Paleoclimatology.

La température moyenne à la surface du globe, en écart à sa moyenne de 1951–1980. Données : NASA GISS Surface Temperature Analysis (GISTEMP v4).

Proposition 28.4 (Le réchauffement planétaire observé)

Chacune des quatre dernières décennies a été plus chaude que toutes les décennies qui l’ont précédée depuis 1850. La température à la surface du globe en 2011–2020 était supérieure de $1.09{}^{\circ}\mathrm{C}$ à celle de 1850–1900 (très probablement entre 0.95 et $1.20{}^{\circ}\mathrm{C}$ ), avec un réchauffement plus fort sur les terres ( $1.59{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) que sur l’océan ( $0.88{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

Proposition 28.5 (Le niveau de la mer monte de plus en plus vite)

Le niveau moyen de la mer a monté d’environ $0.20\,\mathrm{m}$ entre 1901 et 2018. Le rythme était d’environ $1.3\,\mathrm{mm}$ par an de 1901 à 1971, $1.9\,\mathrm{mm}$ par an de 1971 à 2006 et $3.7\,\mathrm{mm}$ par an de 2006 à 2018 (degré de confiance élevé). Les satellites, qui mesurent la hauteur de la surface de la mer depuis 1993, trouvent en moyenne $3.2\,\mathrm{mm}$ par an sur 1993–2025. La mer monte parce que l’océan qui se réchauffe se dilate et parce que les glaciers et les calottes glaciaires lui cèdent de la glace.

Le niveau moyen de la mer mesuré depuis l’espace, environ tous les dix jours (signal saisonnier retiré), par rapport à un zéro arbitraire. Les données d’altimétrie sont fournies par le NOAA Laboratory for Satellite Altimetry.

Chiffres de 2025

La concentration moyenne annuelle de dioxyde de carbone au Mauna Loa en 2025 était de $427.35\,\mathrm{ppm}$ . Dans l’enregistrement de température de la NASA, l’année la plus chaude à ce jour était 2024, à $1.28{}^{\circ}\mathrm{C}$ au-dessus de la moyenne de 1951–1980.

28.2 Le forçage radiatif

Définition 28.6 (Forçage radiatif)

Le forçage radiatif d’un changement du système climatique — plus de gaz à effet de serre, plus de particules d’aérosols, un Soleil plus brillant — est la variation qu’il provoque du flux net d’énergie qui entre dans le système climatique au sommet de l’atmosphère, avant que la température de surface ait eu le temps de réagir. On le mesure en watts par mètre carré ( $\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ) de surface terrestre. Un forçage positif fait gagner de l’énergie à la planète et la réchauffe ; un forçage négatif lui en fait perdre et la refroidit.

Remarque 28.7 (Le forçage effectif)

Les évaluations utilisent le forçage radiatif effectif, qui compte aussi les ajustements rapides de l’atmosphère (de ses nuages, par exemple) qui se produisent avant que la surface se réchauffe. Tous les forçages de ce chapitre sont des forçages effectifs.

Proposition 28.8 (Le forçage depuis 1750)

Les activités humaines ont produit un forçage radiatif total de $2.72\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ en 2019 par rapport à 1750 (très probablement entre 1.96 et $3.48\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ). Les gaz à effet de serre apportent un forçage positif, mené par le dioxyde de carbone ( $2.16\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ) ; les particules d’aérosols, qui réfléchissent la lumière solaire et rendent les nuages plus brillants, en apportent un négatif (environ $-1.06\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ en tout). La variation de la luminosité du Soleil sur la même période n’apporte que $0.01\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

Les principaux forçages radiatifs effectifs de 1750 à 2019, avec leurs fourchettes très probables (moustaches). Valeurs : GIEC, sixième rapport d’évaluation, groupe de travail I, tableau 7.8.

Proposition 28.9 (Le dioxyde de carbone : chaque doublement ajoute le même forçage)

En bonne approximation, le forçage du dioxyde de carbone croît comme le logarithme de sa concentration : chaque doublement ajoute le même forçage, $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ pour un doublement à partir de la concentration de 1750, $C_0 = 278\,\mathrm{ppm}$ . Le forçage d’une concentration $C$ vaut alors

F = F_{2\times}\,\frac{\ln (C/C_0)}{\ln 2}.

Exemple 28.10 (Confronter la loi à l’évaluation)

En 2019, la concentration était de $410\,\mathrm{ppm}$ . La loi donne $F = 3.93 \times \ln(410/278)/\ln 2 = 3.93 \times 0.561 \approx 2.20\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ , à 2 % près des $2.16\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ que l’évaluation donne pour le dioxyde de carbone sur 1750–2019.

Proposition 28.11 (Où va l’énergie supplémentaire)

Comme le forçage est positif, le système climatique gagne de l’énergie : environ $0.79\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ en moyenne sur 2006–2018, contre $0.50\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ sur 1971–2006 (degré de confiance élevé). L’océan a reçu 91 % de cette énergie ; les terres 5 %, la glace qui fond 3 % et l’atmosphère seulement 1 %.

28.3 Rétroactions et sensibilité climatique

Quand la surface se réchauffe, elle rayonne davantage d’énergie vers l’espace, ce qui tend à ramener la planète à l’équilibre. Mais le réchauffement modifie aussi d’autres choses — la vapeur d’eau de l’air, la neige et la glace au sol, les nuages — et ces modifications changent à leur tour le bilan énergétique.

Définition 28.12 (Rétroaction climatique)

Une rétroaction climatique est un changement du système climatique, provoqué par un changement de température, qui modifie le bilan énergétique et donc le changement de température lui-même. Une rétroaction positive amplifie le changement initial ; une rétroaction négative l’atténue.

Exemple 28.13 (Trois rétroactions)

La vapeur d’eau (positive). Un air plus chaud contient davantage de vapeur d’eau, un gaz à effet de serre, ce qui renforce le réchauffement.
La neige et la glace (positive). La neige et la glace réfléchissent la lumière solaire ; quand elles fondent, le sol et la mer, plus sombres, en absorbent davantage, et le réchauffement s’amplifie.
Le rayonnement vers l’espace (négative). Une surface et une atmosphère plus chaudes rayonnent davantage d’infrarouge vers l’espace. Cette réponse fondamentale finit toujours par l’emporter : c’est pourquoi le climat se stabilise à un nouvel équilibre, plus chaud, au lieu de se réchauffer sans limite.

Deux rétroactions positives (boucles rouges) amplifient un réchauffement ; l’infrarouge supplémentaire rayonné par une planète plus chaude (en bleu) est une rétroaction négative qui le limite.

Proposition 28.14 (Le réchauffement à l’équilibre)

Une fois que le climat a atteint un nouvel équilibre, le réchauffement $\Delta T$ provoqué par un forçage constant $F$ vaut

\Delta T = \frac{F}{\lambda},

où $\lambda$ , le paramètre de rétroaction climatique, est l’énergie supplémentaire que la planète perd vers l’espace pour chaque degré de réchauffement. Les évaluations combinent le rayonnement vers l’espace ( $3.22\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ ) avec les rétroactions positives de la vapeur d’eau et du profil de température ( $1.30$ ), de l’albédo de surface ( $0.35$ ) et des nuages ( $0.42$ , dans la même unité), pour obtenir $\lambda \approx 1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ .

Démonstration partielle. Au nouvel équilibre, le système climatique perd de nouveau vers l’espace autant d’énergie qu’il en gagne : la perte supplémentaire due au réchauffement, $\lambda\,\Delta T$ , doit donc compenser le forçage : $\lambda\,\Delta T = F$ . Que la perte supplémentaire soit proportionnelle à $\Delta T$ est une approximation, valable pour des réchauffements de quelques degrés, et admise ici. ∎

Définition 28.15 (Sensibilité climatique à l’équilibre)

La sensibilité climatique à l’équilibre est le réchauffement de la surface de la Terre, une fois atteint un nouvel équilibre, après que la concentration de dioxyde de carbone a été doublée par rapport à son niveau de 1750.

Proposition 28.16 (Quelle est la sensibilité du climat ?)

En combinant tous les éléments de preuve — la physique des rétroactions, le réchauffement observé, les climats passés —, les évaluations donnent une meilleure estimation de $3{}^{\circ}\mathrm{C}$ pour la sensibilité climatique à l’équilibre, probablement entre 2.5 et $4{}^{\circ}\mathrm{C}$ (degré de confiance élevé), et très probablement entre 2 et $5{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

28.4 Qui est responsable ?

Méthode 28.17 (Lire un énoncé des évaluations)

Les évaluations internationales de la science du climat qualifient chaque résultat dans un vocabulaire fixé, imprimé en italique :

une probabilité, la chance qu’un résultat se produise : pratiquement certain 99–100 %, extrêmement probable 95–100 %, très probable 90–100 %, probable 66–100 %, à peu près aussi probable qu’improbable 33–66 %, improbable 0–33 %, très improbable 0–10 % ;
un degré de confiance, la solidité des éléments de preuve et l’accord sur lesquels repose un résultat : très faible, faible, moyen, élevé, très élevé.

Une fourchette écrite $[x \text{ à } y]$ est une fourchette très probable : il y a 90 % de chances que la vraie valeur s’y trouve. Pour lire un énoncé, repérer la grandeur, sa meilleure estimation, sa fourchette, et la probabilité ou le degré de confiance qui lui est attaché.

Définition 28.18 (Attribution)

L’attribution est l’évaluation de la part d’un changement observé qui est due à chacune de ses causes possibles, avec la probabilité du résultat.

Proposition 28.19 (L’influence humaine)

Il est sans équivoque que l’influence humaine a réchauffé l’atmosphère, l’océan et les terres. Entre 1850–1900 et 2010–2019, la surface du globe s’est réchauffée d’environ $1.06{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Les activités humaines ont provoqué un réchauffement de $0.8{}^{\circ}\mathrm{C}$ à $1.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ (fourchette probable), meilleure estimation $1.07{}^{\circ}\mathrm{C}$ : les gaz à effet de serre bien mélangés ont probablement réchauffé la surface de 1.0 à $2.0{}^{\circ}\mathrm{C}$ , et les autres influences humaines, surtout les aérosols, l’ont probablement refroidie de 0 à $0.8{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Le Soleil et les volcans ne l’ont modifiée que de $-0.1$ à $+0.1{}^{\circ}\mathrm{C}$ , et les fluctuations naturelles du climat de $-0.2$ à $+0.2{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Ce qui a causé le réchauffement observé : fourchettes probables de chaque contribution, avec la meilleure estimation quand l’évaluation en donne une (points) ; pour le réchauffement observé, sa fourchette très probable. Valeurs : GIEC, sixième rapport d’évaluation, groupe de travail I, résumé à l’intention des décideurs, A.1.3.

28.5 Scénarios et projections

Définition 28.20 (Scénario et projection)

Un scénario d’émissions est un récit cohérent de la façon dont les émissions de gaz à effet de serre et d’aérosols pourraient évoluer à l’avenir. Une projection est la réponse du climat calculée par des modèles pour un scénario donné. Une projection n’est pas une prévision : elle dit ce qui se passerait si le scénario se réalisait.

Proposition 28.21 (Réchauffement et hausse du niveau de la mer projetés)

Les évaluations utilisent cinq scénarios principaux, des émissions très faibles (SSP1-1.9) aux émissions très élevées (SSP5-8.5). Pour 2081–2100, par rapport à 1850–1900, elles projettent les réchauffements ci-dessous (meilleures estimations et fourchettes très probables, en ${}^{\circ}\mathrm{C}$ ), et, d’ici à 2100, les hausses probables du niveau moyen de la mer par rapport à 1995–2014. Quel que soit le scénario, la mer continue de monter tout au long du siècle (pratiquement certain). La dernière fois que la surface du globe est restée $2.5{}^{\circ}\mathrm{C}$ ou plus au-dessus de 1850–1900 remonte à plus de trois millions d’années (degré de confiance moyen).

scénario	émissions	réchauffement 2081–2100 ( ${}^{\circ}\mathrm{C}$ )	hausse du niveau marin d’ici 2100 (m)
SSP1-1.9	très faibles	1.4 (1.0 à 1.8)	0.28 à 0.55
SSP1-2.6	faibles	1.8 (1.3 à 2.4)	0.32 à 0.62
SSP2-4.5	intermédiaires	2.7 (2.1 à 3.5)	0.44 à 0.76
SSP3-7.0	élevées	3.6 (2.8 à 4.6)	—
SSP5-8.5	très élevées	4.4 (3.3 à 5.7)	0.63 à 1.01

Réchauffement projeté à la fin du siècle pour les cinq scénarios : fourchette très probable (barre) et meilleure estimation (trait noir). Valeurs : GIEC, sixième rapport d’évaluation, groupe de travail I, tableau SPM.1.

Remarque 28.22 (Ce que ce chapitre ne dit pas)

Le scénario que suivra le monde dépend des émissions futures, c’est-à-dire de décisions qui ne relèvent pas de la physique. La science physique dit comment le climat répond à chacun d’eux ; le choix entre eux appartient aux sociétés, et ses coûts et ses bénéfices sont étudiés par d’autres sciences.

Histoire des sciences — Une courbe née du projet d’un chimiste

En mars 1958, le chimiste Charles David Keeling, de la Scripps Institution of Oceanography, commença à mesurer le dioxyde de carbone de l’air au Mauna Loa avec un instrument assez précis pour voir des variations d’une fraction de partie par million. En quelques années, son enregistrement montra à la fois la respiration annuelle de la végétation et une hausse régulière. Les mesures, poursuivies depuis par Scripps et par l’agence américaine chargée de l’atmosphère et de l’océan, sont le plus long enregistrement direct de la composition de l’atmosphère.

Charles David Keeling (à gauche) et John Chin à l’observatoire du Mauna Loa en 1997, à côté de la plaque qui donne à un bâtiment le nom de Keeling. Photographie : John Miller, NOAA (domaine public).

28.6 Exercices

Exercice 28.1 ★

Qu’est-ce que le forçage radiatif d’un changement du système climatique ? En quelle unité le mesure-t-on, et que signifie son signe ?

Solution

Solution de Exercice 28.1.

La variation qu’il provoque du flux net d’énergie qui entre dans le système climatique au sommet de l’atmosphère, avant que la température de surface réagisse ; on le mesure en $\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ . Positif : la planète gagne de l’énergie et se réchauffe ; négatif : elle perd de l’énergie et se refroidit.

Exercice 28.2 ★

En quel mois de l’année la concentration de dioxyde de carbone au Mauna Loa est-elle la plus haute, et en quel mois la plus basse ? Expliquer l’oscillation annuelle.

Solution

Solution de Exercice 28.2.

La plus haute en mai, la plus basse en septembre. Au printemps et en été, la végétation de l’hémisphère Nord, où pousse la plupart des plantes terrestres, absorbe par photosynthèse plus de dioxyde de carbone que les plantes et les sols n’en libèrent ; en automne et en hiver, la décomposition et la respiration dominent, et la concentration remonte.

Exercice 28.3 ★

Dans le vocabulaire des évaluations, quelle probabilité très probable désigne-t-il ? Et probable ? Que signifie une fourchette écrite $[0.95 \text{ à } 1.20]$ ?

Solution

Solution de Exercice 28.3.

Très probable : une probabilité de 90 à 100 % ; probable : 66 à 100 %. $[0.95 \text{ à } 1.20]$ est une fourchette très probable : il y a 90 % de chances que la vraie valeur se trouve entre 0.95 et 1.20.

Exercice 28.4 ★

Quelle part de l’énergie supplémentaire gagnée par le système climatique au cours des dernières décennies est allée dans l’océan ? Pourquoi cela explique-t-il que le niveau de la mer monte même sans fonte des glaces ?

Solution

Solution de Exercice 28.4.

91 %. L’eau se dilate en se réchauffant : un océan plus chaud occupe un plus grand volume, et sa surface monte même si aucune eau n’est ajoutée (la fonte des glaces continentales ajoute de l’eau en plus).

Exercice 28.5 ★

Donner deux rétroactions climatiques positives et la réponse négative qui limite le réchauffement. Expliquer chacune en une phrase.

Solution

Solution de Exercice 28.5.

La vapeur d’eau : un air plus chaud contient davantage de vapeur d’eau, un gaz à effet de serre, ce qui renforce le réchauffement. La neige et la glace : leur fonte découvre des surfaces plus sombres, qui absorbent davantage de lumière solaire. La réponse négative : une planète plus chaude rayonne davantage d’infrarouge vers l’espace, ce qui la ramène à l’équilibre.

Exercice 28.6 ★★

La concentration moyenne annuelle de dioxyde de carbone au Mauna Loa était de $315.98\,\mathrm{ppm}$ en 1959 et de $427.35\,\mathrm{ppm}$ en 2025. De combien de ppm, et de quel pourcentage, a-t-elle augmenté ? Quelle a été la hausse moyenne par an sur toute la période ?

Solution

Solution de Exercice 28.6.

$427.35 - 315.98 = 111.37\,\mathrm{ppm}$ ; $111.37/315.98 \approx 0.352$ , soit une hausse d’environ 35 %. Sur 66 ans : $111.37/66 \approx 1.7\,\mathrm{ppm}$ par an en moyenne.

Exercice 28.7 ★★

Utiliser la loi logarithmique du chapitre, avec $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ et $C_0 = 278\,\mathrm{ppm}$ , pour calculer le forçage du dioxyde de carbone à $427.35\,\mathrm{ppm}$ , la moyenne annuelle de 2025.

Solution

Solution de Exercice 28.7.

$F = 3.93 \times \ln(427.35/278)/\ln 2 = 3.93 \times 0.4300/0.6931 \approx 2.44\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

Exercice 28.8 ★★

Au rythme de $3.7\,\mathrm{mm}$ par an, celui de 2006–2018, de combien le niveau de la mer monterait-il en 30 ans ? Combien de fois ce rythme est-il plus rapide que celui de 1901–1971, $1.3\,\mathrm{mm}$ par an ?

Solution

Solution de Exercice 28.8.

$3.7 \times 30 = 111\,\mathrm{mm}$ , environ $11\,\mathrm{cm}$ . $3.7/1.3 \approx 2.8$ : presque trois fois plus vite.

Exercice 28.9 ★★

À l’aide de $\Delta T = F/\lambda$ avec $\lambda = 1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ , calculer le réchauffement à l’équilibre que produirait le forçage humain total de 2019, $2.72\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ . Le réchauffement observé d’origine humaine n’est que d’environ $1.07{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Donner la principale raison de cette différence.

Solution

Solution de Exercice 28.9.

$\Delta T = 2.72/1.16 \approx 2.3{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Le climat n’est pas à l’équilibre : l’océan, qui absorbe environ 90 % de l’énergie supplémentaire, se réchauffe lentement, si bien que la surface n’a pas encore rattrapé le forçage (le système gagne encore environ $0.8\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ).

Exercice 28.10 ★★

Le Soleil et les volcans ont modifié la température mondiale entre 1850–1900 et 2010–2019 de $-0.1$ à $+0.1{}^{\circ}\mathrm{C}$ , alors que le réchauffement observé était d’environ $1.06{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Que peut-on en conclure ? Quelle autre cause naturelle faut-il aussi écarter, et que dit l’évaluation à son sujet ?

Solution

Solution de Exercice 28.10.

Le Soleil et les volcans expliquent au plus $0.1{}^{\circ}\mathrm{C}$ d’un réchauffement de $1.06{}^{\circ}\mathrm{C}$ : ils ne peuvent pas en être la cause. L’autre cause naturelle est la variabilité interne du climat (ses fluctuations naturelles, comme les échanges de chaleur entre l’océan et l’atmosphère) ; l’évaluation fixe sa contribution à $-0.2$ à $+0.2{}^{\circ}\mathrm{C}$ , elle aussi bien trop faible.

Exercice 28.11 ★★

À l’aide du tableau des projections, dans quels scénarios le réchauffement de 2081–2100 restera-t-il très probablement inférieur à $2{}^{\circ}\mathrm{C}$ ? Dans lesquels dépassera-t-il très probablement $2{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Solution

Solution de Exercice 28.11.

Très probablement sous $2{}^{\circ}\mathrm{C}$ : seulement SSP1-1.9 (fourchette très probable de 1.0 à 1.8). Très probablement au-dessus : SSP2-4.5 (2.1 à 3.5), SSP3-7.0 (2.8 à 4.6) et SSP5-8.5 (3.3 à 5.7). Pour SSP1-2.6 (1.3 à 2.4), aucun des deux n’est très probable.

Exercice 28.12 ★★★

Les aérosols ont produit un forçage d’environ $-0.22$ et $-0.84\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ (par la lumière solaire et par les nuages). Si l’on retirait de l’air tous les aérosols, tout le reste restant comme en 2019, que deviendrait le forçage humain total ? De combien le réchauffement à l’équilibre augmenterait-il, avec $\lambda = 1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ ?

Solution

Solution de Exercice 28.12.

Le forçage des aérosols vaut $-0.22 - 0.84 = -1.06\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ; sans lui, le total devient $2.72 + 1.06 = 3.78\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ . Le réchauffement à l’équilibre augmente de $1.06/1.16 \approx 0.9{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

Exercice 28.13 ★★★

Montrer, à partir de la loi logarithmique, que passer de $278\,\mathrm{ppm}$ à $556\,\mathrm{ppm}$ et passer de $556\,\mathrm{ppm}$ à $1112\,\mathrm{ppm}$ ajoutent le même forçage. Quel est le forçage total à $1112\,\mathrm{ppm}$ ?

Solution

Solution de Exercice 28.13.

Comme $\ln(2C) - \ln C = \ln 2$ quel que soit $C$ ,

F(556) - F(278) = \frac{3.93\,\ln 2}{\ln 2} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}, \qquad F(1112) - F(556) = \frac{3.93\,\ln 2}{\ln 2} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}:

le même forçage pour chaque doublement. Total à $1112\,\mathrm{ppm}$ : $2 \times 3.93 = 7.86\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

Exercice 28.14 ★★★

Dériver la loi logarithmique par rapport à $C$ . Quel forçage un ppm supplémentaire de dioxyde de carbone ajoute-t-il à $280\,\mathrm{ppm}$ , et à $420\,\mathrm{ppm}$ ? Commenter.

Solution

Solution de Exercice 28.14.

$\dfrac{\dd F}{\dd C} = \dfrac{F_{2\times}}{C \ln 2}$ . À $280\,\mathrm{ppm}$ : $3.93/(280 \times 0.6931) \approx 0.0202\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ par ppm ; à $420\,\mathrm{ppm}$ : $\approx 0.0135\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ par ppm. Chaque ppm supplémentaire ajoute moins de forçage à mesure que la concentration augmente (1.5 fois moins à 420 qu’à 280), mais la concentration continue de monter, si bien que le forçage augmente encore.

Exercice 28.15 ★★★

Sans aucune rétroaction autre que le rayonnement supplémentaire vers l’espace, $\lambda_0 = 3.22\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ . Calculer le réchauffement pour un doublement du dioxyde de carbone ( $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ) avec $\lambda_0$ , puis avec $\lambda = 1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ . De quel facteur les rétroactions amplifient-elles le réchauffement ?

Solution

Solution de Exercice 28.15.

$3.93/3.22 \approx 1.2{}^{\circ}\mathrm{C}$ sans rétroactions ; $3.93/1.16 \approx 3.4{}^{\circ}\mathrm{C}$ avec elles. Facteur d’amplification : $3.22/1.16 \approx 2.8$ .

28.7 Problème : la courbe de Keeling en chiffres

Problème 28.1

Problème du week-end — de la respiration annuelle de la végétation à l’année où un doublement serait atteint

Un élève télécharge l’enregistrement du Mauna Loa et le traite avec un tableur. Sur 2015–2024, la concentration mensuelle se situe en moyenne $3.37\,\mathrm{ppm}$ au-dessus de la tendance lissée en mai et $3.51\,\mathrm{ppm}$ au-dessous en septembre. Les moyennes annuelles sont de $316.91\,\mathrm{ppm}$ en 1960, $325.68\,\mathrm{ppm}$ en 1970, $401.01\,\mathrm{ppm}$ en 2015 et $427.35\,\mathrm{ppm}$ en 2025. La concentration de 1750 était de $278\,\mathrm{ppm}$ . Utiliser la loi logarithmique avec $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

Partie I — La respiration de la végétation.

Quelle est l’amplitude, du maximum au minimum, du cycle annuel ?
Expliquer pourquoi la concentration est la plus haute en mai et la plus basse en septembre.
Le cycle est bien plus faible dans l’air de l’hémisphère Sud. Proposer une explication.
Pourquoi l’observatoire a-t-il été construit à $3397\,\mathrm{m}$ d’altitude, sur un volcan au milieu du Pacifique ?

Partie II — La tendance.

Calculer la hausse moyenne, en ppm par an, sur 1960–1970.
La calculer sur 2015–2025.
De quel facteur le rythme de hausse a-t-il augmenté ?
De quel pourcentage la concentration a-t-elle augmenté entre 1750 et 2025 ?
Les carottes de glace ne montrent jamais plus d’environ $300\,\mathrm{ppm}$ au cours des 800 000 dernières années. De combien de ppm la valeur de 2025 dépasse-t-elle ce niveau ?

Partie III — Le forçage.

Calculer le forçage du dioxyde de carbone en 2025.
Le calculer en 1960, ainsi que l’augmentation du forçage entre 1960 et 2025.
Quelle concentration ajouterait $1\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ au forçage de 2025 ?
Au rythme de hausse de 2015–2025, combien d’années cela prendrait-il ?

Partie IV — Le doublement.

Quelle est la concentration correspondant à un doublement de la valeur de 1750 ? Quel forçage produit-elle ?
Avec la meilleure estimation de la sensibilité climatique à l’équilibre, quel réchauffement à l’équilibre provoquerait-elle ? Donner la fourchette probable.
Quel paramètre de rétroaction $\lambda$ une sensibilité de $3{}^{\circ}\mathrm{C}$ implique-t-elle ? Le comparer à la valeur $1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ obtenue en additionnant les rétroactions.
Pourquoi la surface n’atteindrait-elle pas ce réchauffement le jour même où le doublement serait atteint ?
Pourquoi un calcul qui prolonge simplement le rythme de hausse actuel est-il un scénario, et non une projection du type de celles que font les évaluations ?
Si le rythme de hausse de 2015–2025 restait le même, en quelle année le doublement de la concentration de 1750 serait-il atteint ?

Solution

Solution de Problème 28.1.

1. $3.37 + 3.51 = 6.88\,\mathrm{ppm}$ , environ $7\,\mathrm{ppm}$ .

2. Du printemps à la fin de l’été, les plantes de l’hémisphère Nord retirent le dioxyde de carbone de l’air par photosynthèse plus vite que la respiration et la décomposition ne le restituent : la concentration baisse jusqu’en septembre. En automne et en hiver, le bilan s’inverse, et la concentration remonte jusqu’à son maximum de mai.

3. L’hémisphère Sud a beaucoup moins de terres, et donc beaucoup moins de végétation, que l’hémisphère Nord ; l’essentiel de sa surface est océanique.

4. En altitude, il se trouve au-dessus de la couche d’air pollué proche du sol ; loin des continents et des villes, l’air qu’il échantillonne est bien mélangé et représente l’atmosphère entière, non une source locale.

5. $(325.68 - 316.91)/10 \approx 0.88\,\mathrm{ppm}$ par an.

6. $(427.35 - 401.01)/10 \approx 2.63\,\mathrm{ppm}$ par an.

7. $2.634/0.877 \approx 3.0$ : le rythme de hausse a triplé.

8. $(427.35 - 278)/278 \approx 0.537$ : environ 54 %.

9. $427.35 - 300 \approx 127\,\mathrm{ppm}$ .

10. $F = 3.93 \times \ln(427.35/278)/\ln 2 \approx 2.44\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

11. $F(316.91) = 3.93 \times \ln(316.91/278)/\ln 2 \approx 0.74\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ ; augmentation : $2.44 - 0.74 \approx 1.70\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

12. Un $\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ de plus multiplie la concentration par $2^{1/3.93} \approx 1.193$ : $427.35 \times 1.193 \approx 510\,\mathrm{ppm}$ .

13. $(509.8 - 427.35)/2.634 \approx 31$ ans.

14. $2 \times 278 = 556\,\mathrm{ppm}$ ; forçage : $F_{2\times} = 3.93\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ .

15. Par définition de la sensibilité, $3{}^{\circ}\mathrm{C}$ (probablement de 2.5 à $4{}^{\circ}\mathrm{C}$ ).

16. $\lambda = 3.93/3 \approx 1.31\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ . La somme des rétroactions, $1.16\,\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}\,{}^{\circ}\mathrm{C}^{-1}$ , donne $3.93/1.16 \approx 3.4{}^{\circ}\mathrm{C}$ , un peu plus ; la meilleure estimation évaluée combine cette physique avec le réchauffement observé et les climats passés, et les deux valeurs se situent dans la fourchette probable.

17. L’océan stocke l’essentiel de l’énergie supplémentaire et se réchauffe lentement : la surface n’atteint son réchauffement à l’équilibre qu’au bout de décennies, voire de siècles.

18. Il suppose un récit des émissions futures (la hausse des dix dernières années maintenue pour toujours) : c’est un scénario. Une projection calcule la réponse du climat et du cycle du carbone à un scénario d’émissions avec des modèles physiques, et donne des fourchettes et des probabilités.

19. $(556 - 427.35)/2.634 \approx 48.8$ ans après 2025 : vers 2074.

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