Sensibilité climatique, rémanence du CO2 et changement climatique long terme

Xavier Coeytaux
Nov 26 · 11 min read

Tentative de modélisation personnelle de trajectoires climatiques, sans capture et stockage de carbone, ni géo-ingénierie.

Par Xavier Coeytaux, 26 novembre 2019

La réactivité du changement climatique à l’augmentation de la concentration atmosphérique de CO2 (actuellement 412 ppm moyen corrigées des variations saisonnières), liée en majeure partie (si ce n’est en totalité) aux activités humaines et les boucles de rétroaction qu’elles provoquent, est un sujet souvent mal compris car il fait intervenir la notion de sensibilité climatique et les diverses échelles de temps qu’elle concerne.

La sensibilité climatique à l’équilibre (ECS pour Equilibrium Climate Sensitivity) est la température globale atteinte dans un nouvel état d’équilibre climatique, lorsqu’on double instantanément la concentration de CO2 atmosphérique. Cette valeur dont on peut considérer l’évolution à différents horizons de temps (avant qu’elle n’atteigne sa valeur absolue à l’équilibre), fait intervenir les dynamiques des différents cycles du carbone et les rétroactions des compartiments terrestres associés (modification de l’albedo, du taux de vapeur d’eau, de la transparence des nuages au rayonnement, des gradients thermiques locaux, l’augmentation du rayonnement émis par la Terre liée à l’augmentation de sa température, etc.) : les cycles longs géologiques avec la dissolution des carbonates, les émissions volcaniques ou l’enfouissement via la tectonique ; les cycles moyens ou courts liés aux écosystèmes terrestres et marins avec la croissance/destruction d’organismes utilisant le carbone comme support ; un cycle court lié à la physique de l’hydrosphère avec l’équilibrage de pression partielle du CO2 à l’interface air/eau. L’ECS n’est donc pas une donnée à priori, mais une émergence de la réponse d’un ensemble de mécanismes et rétroactions à une perturbation initiale.

Ces dynamiques, à l’échelle des temps géologiques, ont pu constituer tour à tour des émetteurs ou des puits de carbone selon les conditions locales ou globales, et en particulier les conditions climatiques (mais aussi tectoniques/volcaniques). Un des axes de recherche de la paléo-climatologie (qui regroupe de multiples disciplines de la géophysique, allant de la géochimie à la stratigraphie par exemple) est de comprendre et mesurer les amplitudes et les vitesses de changement du climat, à partir d’ensembles de données de terrain (y compris les données d’insolation récupérées par les mesures isotopiques du Béryllium). L’enjeu des modèles numériques climatiques est de pouvoir reproduire l’ensemble de ces dynamiques plus ou moins compartimentées, afin de réduire les marges d’incertitude des projections. On verra plus loin, que les derniers modèles couplés (CMIP 6) qui intègrent de plus en plus de sous-modèles compartimentés en interaction, sont désormais bien plus en accord avec les observations de la paléo-climatologie (cf https://global-climat.com/2018/10/06/sensibilite-climatique-vers-une-reconciliation-entre-observations-et-modeles/) que leurs prédécesseurs.

Avant les CMIP6 les modèles les plus récents tendaient vers les ECS suivants :
- 1.9°C à 0.1 an
- 2.1°C à 1 an
- 2.4°C à 10 ans
- 2.9°C à 100 ans

Cela signifie qu’un doublement de concentration de CO2 atteint 65.4% de son maximum de réchauffement quasi immédiatement, 17.3% supplémentaires de ce maximum au terme d’une décennie, et 17.3% à l’échelle séculaire, via des mécanismes de courts, moyens et longs termes qui interagissent en permanence.

A partir de ces données simples d’apparence, mais pourtant fondamentales, je me suis amusé à produire quelques courbes de réponse de la température moyenne globale en fonction de scénarios d’émissions intégrant des émissions lissées depuis 1950. J’ai bien entendu calibré mon modèle simpliste sur les données d’émissions existantes et les données de réponse en température disponibles. N’étant pas équipé de super-calculateur et d’une équipe de recherche, mon modèle est simple, donc uniquement tendanciel et donne des ordres de grandeur, mais j’ai vérifié qu’il fittait les tendances des séries de données passées.

Première étape : données NOAA, NASA/GISS (rouge), régression quadratique de la série de données depuis 1950 (orange), fit du modèle perso sur la base des données ECS pré-CMIP6 (tirets bleus)

Le fait que mon modèle simple lisse la variabilité n’est pas à proprement un problème, il n’a pas la prétention d’être pointu et exhaustif comme le sont les modèles lourds qui tournent dans les instituts compétents, il ne sert qu’à donner une tendance globale qui n’empêche pas la variabilité d’exister (voir https://global-climat.com/2019/07/23/une-grande-sensibilite-climatique-signifierait-plus-de-variations-decennales/)

Mon principal problème avec les scénarios du GIEC, n’est bien entendu pas la physique et la biologie sous-jacentes qui permettent d’expliquer l’effet de serre de plus en plus finement, mais plutôt en lien avec trois points discutables de mon point de vue :
- les trajectoires d’élévation de température dépendent de scénarios de développement sociaux-économiques pré-définis, dont la faisabilité de la plupart me semble questionnable, notamment la mise en œuvre à large échelle de CCS (Carbon Capture and Storage)
- les modèles, jusqu’à l’automne 2019, n’étaient pas en mesure de décrire des évènements climatiques anciens montrant des élévations de température importantes avec des concentrations de CO2 modérées
- l’année 2100 comme horizon, qui laisse un flou sur le comportement long terme, c’est à dire multi-séculaire voire multi-millénaire, du climat.

Après pas mal de lectures et d’incrémentation de mon modèle sur la base de la littérature de référence disponible, j’ai fini par obtenir des résultats cohérents avec les ordres de grandeur en matière de budget carbone, température d’équilibre et taux d’accélération de la montée en température.

Deuxième étape : vérifier que mon modèle suit bien la relation linéaire budget carbone — élévation de température, pour les données d’ECS pré-CMIP6. Situation 2018, le budget carbone correspondant indique que l’élévation de température à l’équilibre correspondante est 1,4°C

Il me restait à voir comment se comportait mon modèle sur le très long terme et le comparer à la trop rare littérature en la matière (voir notamment https://www.pnas.org/content/106/6/1704 ; https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs40641-016-0048-4 ; http://empslocal.ex.ac.uk/people/staff/gv219/talks/clim_sens.pdf ; https://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/long-term-climate-change-projections-commitments-and-irreversibility/)

Parallèlement, et puisque je voulais que ce modèle soit en accord avec l’état des connaissances du moment en matière de carbone et de ses effets à long terme, il fallait que je budgétise les réserves de carbone. Je ne vais pas rentrer dans le détail de la polémique des différentes dates des pics d’extraction du pétrole, du gaz ou du charbon, et je me base sur les derniers chiffres BP, même si ces derniers pourraient largement être discutés, à la fois d’un point de vue géologique et économique. Voici donc les chiffres que j’utilise :

- Pétrole : 3.12 tCO2/TEP de combustion, réserves 2018 : 244.1 GTep.
- Gaz naturel : 2.43 GtCO2/Tm3 de combustion, réserves 2018 : 196.9 Tm3
- Charbon : 2.86 tCO2/t de combustion (moyenne), réserves 2018 : 1055 Gt

pour un potentiel total émissible de 4260 GtCO2. Le total émis fin 2018 depuis 1870, peut s’estimer à environ 2150 GtCO2 (1700 GtCO2 fin 2011 selon le tableau de l’AR5 ci-dessous, mais selon diverses autres estimations, nous serions plutôt à 2150 GtCO2 fin 2018, le GIEC lui même faisant référence à 1890 GtCO2 émis à fin 2011 dans l’AR5).

Source : rapport AR5 du GIEC, 2013

Sur la base des éléments exposés jusqu’ici, j’ai modélisé plusieurs trajectoires de température, sachant que j’exclue volontairement tout élément exogène du type CCS ou géo-ingénierie :
- une trajectoire 1,5°C
- une trajectoire 2°C qui ressemble au scénario 2°C du GIEC. On notera que tenir les 2°C et son budget de 3000 GtCO2 revient à laisser 4/5 du carbone des combustibles fossiles sous terre, soit les potentiels de la totalité du charbon et de la moitié du pétrole additionnés.
- une trajectoire 3,1°C correspondant aux engagements (non contraignants) des parties signataires de l’accord de Paris de 2015 (environ 2500 GtCO2 restant à émettre fin 2018). Une trajectoire similaire mais plus douce est également obtenue avec une transition en 2030 et une durée de 80 ans. L’élévation de température atteinte en 2100 est environ 2,9°C.
- une trajectoire 4,3°C correspondant au déstockage total du carbone des réserves de combustibles fossiles connues fin 2018 (scénario “peak fossiles” à partir de 2050). L’élévation de température atteinte en 2100 est environ 3,8°C

Résultats 1 : 4 trajectoires potentielles d’élévation de la température à long terme. Le mot transition est entendu au sens large, soit voulue, soit subie (crash économique, pic de ressource, etc.). Toutes les transitions sont simulées par des sigmoïdes allant de 100% d’émission en début de période, passant par 50% à la médiane et 0% en fin de période.

On remarquera que la trajectoire “accord de Paris” peut suivre celle de “burn, baby burn”, la différence résidant essentiellement en une chute vers 0 très rapide (krach de l’économie ?) dans ce cas.

Il me restait une incohérence à étudier, c’est à dire le rapport spécial 1.5 du GIEC publié en octobre 2018. Comment se pouvait-il qu’une transition 2020–2050 puisse contenir le réchauffement à 1,5°C par rapport à la référence pré-industrielle ? En particulier, le graphique suivant me posait un problème.

Source : IPCC special report 1.5, octobre 2018

Pour comprendre le trick de ce graphique, il faut expliquer ce qu’est la TCRE ou Transient Climate Response to Cumulative Carbon Emissions. La TCRE est la température obtenue au terme d’une augmentation des émissions de CO2 de 1% depuis 1876 jusqu’à un doublement ou quadruplement des émissions initiales, autrement dit elle ne regarde pas l’équilibrage long terme du climat en réponse à une concentration donnée, contrairement à l’ECS. De fait, ce graphique est exact et ne dit que la chose suivante : 1,5°C d’élévation sera atteint vers 2034 (plus ou moins 4 ans selon les bornes de l’intervalle de confiance) pour un budget moyen de 2800 GtCO2 (contre 2250 GtCO2 dans l’AR5). Mais ce graphique est totalement aveugle à l’horizon long terme, c’est pourquoi tous les scénarios de ce rapport intègrent des éléments de CCS pour permettre de maintenir l’élévation long terme sous 1,5°C. Ayant fait le choix délibéré de n’inclure aucune technologie CCS ou géo-ingénierie dans mon modèle, tout en gardant l’idée de regarder les effets long terme, je ne pouvais donc logiquement pas trouver de concordance avec le rapport spécial 1.5. Rappelons que ce rapport était une commande politique en lien avec l’accord de Paris, et on va voir qu’il risque d’être très prochainement officiellement obsolète.

Premiers résultats des nouveaux modèles CMIP6, patatras rien ne va plus

Bien content de la cohérence de mes résultats, je m’apprête à passer à autre chose, lorsque les premiers résultats des tout derniers modèles climatiques, faisant partie du CMIP6 (pour Coupled Model Intercomparison Project), paraissent en France avec les chiffres de l’IPSL et du CEA. Quasiment simultanément parait une étude visant à réconcilier les mesures de concentration de CO2 et de température de l’évènement PETM (Maximum thermique du passage Paléocène-Éocène). Pas le choix, il faut remettre les mains dans mon modèle.

En effet, les études les plus récentes en matière de climatologie suggèrent une sensibilité climatique à l’équilibre accrue par rapport aux précédents modèles utilisés dans le rapport AR5 du GIEC (https://global-climat.com/2019/09/19/nouveaux-modeles-francais-pour-le-giec-un-rechauffement-plus-prononce/). Ces premiers résultats réconcilient les modèles CMIP6 avec les observations paléo-climatiques des épisodes les plus extrêmes, en particulier avec une période climatique datant de 56 millions d’années appelée PETM (Paleocene-Eocene Thermal Maximum). Cette période a connu un réchauffement assez rapide mais surtout sans précédent en terme d’intensité depuis l’apparition de la vie complexe, passant de 23°C à 29°C en quelques 200 000 ans environ. Les différents proxys conduisent à une concentration moyenne de 1600 ppm de CO2 et une température globale moyenne de 29°C, soit environ 14°C de plus que la référence pré-industrielle communément utilisée (https://advances.sciencemag.org/content/5/9/eaax1874).

Or les modèles précédents indiquaient des concentrations de plus de 3000 à 4000 ppm de CO2 pour simuler les températures avérées de cette période. Les nouveaux modèles suggèrent non seulement une sensibilité climatique actuelle accrue à 4.8°C contre 3.2°C précédemment, mais prédisent que cette ECS évolue potentiellement en fonction de l’élévation de température elle-même. Ainsi, l’ECS de la période PETM est estimée à plus de 6°C, reflétant une boucle de rétroaction particulière qui pourrait être une transparence accrue des nuages au rayonnement solaire en fonction de la température. Contrairement à ce qui était estimé précédemment, ce phénomène serait proportionnel à l’élévation de température, et ne fonctionnerait pas comme on le pensait par effet de seuil (vers 1000–1200 ppm de CO2, voir https://www.nature.com/articles/s41561-019-0310-1). En résumé, les nuages deviendraient de moins en moins opaques au rayonnement solaire en fonction de l’élévation de température, ce qui augmenterait la quantité de rayonnement reçu et donc réémis par le sol après absorption, de facto augmentant la température. Dans une atmosphère riche en CO2 comme durant le PETM (CO2 provenant probablement d’une activité volcanique extrêmement intense et prolongée dans l’Atlantique Nord), l’effet de serre jouerait son rôle à plein, permettant le scénario « hothouse earth », où la cryosphère disparait en totalité sauf quelques réminiscences saisonnières aux pôles (on pense également qu’une partie de clathrates auraient pu être déstockées durant cet évènement), et où le niveau des mers est de fait environ 60 m plus élevé qu’actuellement.

J’ai profité de ces données récentes et concordantes pour les introduire dans mon modèle simplifié et regarder en quoi cela modifie les trajectoires de température que j’avais calculées précédemment. Les chiffres qui suivent sont à prendre au conditionnel, étant donné que tous les modèle CMIP6 n’ont pas encore livré leurs résultats.

1.5°C : pour commencer, j’ai regardé où nous emmenaient les 2150 GtCO2 déjà émises depuis le début de l’ère industrielle ; les +1.5°C par rapport à la référence pré-industrielle sont atteints en 2032 et la température maximum est de +1.6°C quelques siècles plus tard. Il aurait fallu arrêter totalement les émissions dès 2013 pour parvenir à contenir le réchauffement sous ce seuil.

2°C : il est encore possible de tenir ce seuil en théorie, mais le budget carbone est réduit d’environ 350 GtCO2, ce qui implique une transition dès 2020 et une descente vers 0 émission en 2045, ou encore laisser 90% des réserves de combustibles fossiles connues dans le sol. Sans inflexion de la courbe d’émission actuelle, il sera trop tard vers 2034, même en passant à 0 émission en une seule année, ce qui de toute façon n’est absolument pas réaliste.

Accord de Paris : les 4700 GtCO2 du budget total (y compris les émissions passées) issu des engagements des parties signataires, nous amène sur une trajectoire à +3.7°C maximum (+3.4°C en 2100).

« Burn, baby burn » : si par miracle nous parvenions à brûler l’ensemble des réserves de combustibles fossiles connues fin 2018 (recensées pas BP) en mode “business as usual”, alors nous pourrions nous diriger vers +5°C maximum, avec +2°C atteint vers 2045 et +4,2°C en 2100.

Résultats 2 : 4 trajectoires potentielles d’élévation de la température à long terme avec une ECS de 4,8°C

Pour finir, j’ai regardé comment mon modèle rétro-fittait l’épisode PETM et ses 1600 ppm de concentration de CO2 et 6°C de sensibilité climatique. J’obtiens +13.5°C (à comparer aux +14°C cités dans l’étude de référence au début de cet article) avec un budget carbone équivalent à un peu moins de deux fois celui de l’ensemble des combustibles fossiles connus. Pour mémoire, le pergélisol du cercle arctique et sub-arctique contient en ordre de grandeur, l’équivalent carbone de l’ensemble des réserves connues de combustibles fossiles, y compris celles déjà consommées. Il serait donc sage de veiller à ce que le pergélisol continue d’être en majeure partie gelé et ne relâche pas l’ensemble du carbone qu’il contient.

    Xavier Coeytaux

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