L' Humanité face au changement climatique

Robert Dautray, Jacques Lesourne

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2009
• ISBN:
  9782738197320
• Sujet: Biological Sciences
• Sous-sujet: Environmental Science

L'humanité est confrontée pour la première fois de son histoire à un phénomène de changement global de l'écosphère qui l'engage dans une longue transition et dont les répercussions seront à la fois économiques, sociales et politiques. Tous les pays, toutes les activités humaines en seront affectés. Les problèmes qui vont en résulter peuvent être résolus par des adaptations de comportement, des déplacements géographiques et par la mise en œuvre à grande échelle de technologies existantes ou en cours de développement. L'heure n'est pas à rejeter la technologie, mais à intensifier les efforts pour la développer, tout en veillant à l'orienter en fonction des besoins réels des hommes. Robert Dautray, scientifique et ingénieur, et Jacques Lesourne, économiste et prospectiviste, se sont unis à l'occasion de cet ouvrage pour mettre en commun leurs connaissances complémentaires et apporter des réponses aux questions engendrées par les conséquences du changement climatique auxquelles nous devons dès aujourd'hui faire face. Robert Dautray, membre de l'Académie des sciences et de l'Académie des technologies, a été notamment président des comités des programmes scientifiques et du Comité d'observation opérationnelle de la Terre du CNES et haut-commissaire à l'Énergie atomique. Il est notamment l'auteur de Quelles énergies pour demain?Jacques Lesourne est membre de l'Académie des technologies. Il a été président de l'Association française de science économique et ancien directeur du journal Le Monde. Il a récemment publié Les Crises et le XXIe siècle.

Appendice 1

La machine climatique terrestreI

Puissance solaire absorbée par la Terre : 176 petawatts ou PW (peta- = 10¹⁵).

Source de chaleur interne de la Terre : environ 0,025 à 0,05 PW (environ 0,01 PW dû à la décomposition radioactive de l’uranium et de ses descendants, 0,01 dû à celle du thorium et de ses descendants, 0,005 dû à celle du potassium 40), soit 1,4/10 000 à 3/10 000 de la puissance solaire absorbée.

Transport de puissance des régions tropicales (source chaude) aux régions polaires (puits froid) = 6 PW à la latitude où elle est maximum pour le transport vers le nord et autant vers le sud.

Partie de ce transport d’énergie suivant approximativement les méridiens, assurée par les courants et dérives des tourbillons des eaux de l’océan Atlantique : 1,3 à 1,5 PW à son maximum (vers 22° de latitude nord), soit environ 1 % de l’énergie provenant du Soleil. On peut en dire autant de l’océan Pacifique.

Partie transportée par l’atmosphère des régions tropicales vers les régions polaires nord : environ 4 PW à la latitude du maximum (environ 30 à 50 ° nord). Même ordre de grandeur vers le sud.

Le rendement de la machine climatique terrestre est donc d’environ 6 à 10 % de l’énergie solaire incidente ; ces 6 à 10 %, soit environ 12 PW, sont transformés en énergie cinétique des vents, des courants, des turbulences et en énergie latente d’évaporation, etc.

Durée de la circulation thermohaline : environ 1 800 ans.

Partie de ce rayonnement solaire de 176 PW dans la gamme pouvant donner lieu à la photosynthèse (plantes, bactéries, phytoplancton, etc.) dite PAR (Photosynthetic Absorbed Radiation) : 22 PW.

Partie du PAR effectivement transformée en énergie des liaisons chimiques du vivant (c’est-à-dire toute la biomasse) : 0,058 PW, soit 58 térawatts, soit 3/1 000 du PAR.

Puissance produite par combustion par l’homme : environ 12 térawatts [1 térawatt = 10¹² watts], soit environ 2 kW/homme.

Le parc électronucléaire de la France est d’environ 60 gigawatts électrique [1 gigawatt = 10⁹ watts], soit environ 1 kW de capacité électrique installé/personne habitant la France.

Les molécules de gaz qui interagissent avec le rayonnement infrarouge, et donc les plus responsables de l’effet de serre, sont :

— la vapeur d’eau : responsable d’environ 60 % de l’effet de serre. L’augmentation d’humidité de saturation* à chaque altitude est la conséquence de l’augmentation de la température de l’air due à l’absorption de l’IR par les molécules de gaz carbonique et par celles de méthane. De plus, l’humidité réelle est l’humidité relative* (pourcentage de cette humidité de saturation, donc maximale) multipliée par cette humidité de saturation. Cet effet de serre se compte aussi en environ 60 W/m² à 75 W/m² ou en température soit + 20 °C). Sa teneur varie entre 10 ppmv et 20 000 ppmv dans la troposphère (et entre 2 et 7 ppmv dans la stratosphère). Sa vie moyenne dans l’atmosphère se compte en semaines.

— le gaz carbonique : responsable d’environ 30 % de l’effet de serre (cet effet de serre se compte aussi en intensité lumineuse, environ 32 W/m² à 50 W/m² ou en température soit + 10 °C). Sa teneur est de 387 ppmv en 2009 (elle croît de + 1,3 ppmv/an). Sa vie moyenne dans l’atmosphère compte une centaine d’années. Prenons comme convention que dans vingt ans, une unité arbitraire de masse de CO₂ émise aujourd’hui aura produit une unité d’effet de serre supplémentaire.

— le méthane : responsable de 3 à 6 % de l’effet de serre (cet effet de serre se compte aussi en intensité lumineuse, 8 W/m², ou en température, soit + 1 à 2 °C. Sa teneur actuelle est d’environ 1,8 ppmv et augmente de 0,0012 ppmv/an. Sa durée de vie moyenne dans l’atmosphère est de 8 à 12 ans). Dans vingt ans, une unité arbitraire de masse de méthane émise aujourd’hui aura produit 72 unités d’effet de serre supplémentaires, c’est-à-dire 72 fois l’effet de la même quantité de CO₂ émise aujourd’hui.

— l’oxyde nitreux : Sa teneur est de 0,3 ppmv. L’effet de serre correspondant est d’environ 0,16 W/m², soit environ 0,8 °C. Toutefois, son pouvoir d’effet de serre est très grand, puisque pour la même masse arbitraire de cet oxyde nitreux, émis aujourd’hui dans l’atmosphère, la conséquence dans vingt ans sur l’effet de serre sera 289 fois celle du gaz carbonique.

— l’ozone : L’ozone de la troposphère a une teneur très variable suivant les lieux, les jours et les nuits (soit environ 10 % de l’ozone de la stratosphère). Sa durée de vie varie entre une semaine et un mois. Il reste donc proche des zones où il est produit. Sa participation à l’effet de serre est très variable. Dans la stratosphère, sa teneur est d’environ 0,2 à 10 ppmv. La contribution à l’effet de serre est de 10 W/m².

— les nuages et aérosols : leur influence est très variable (ciel clair ou non) et peut aller jusqu’à 20 % (plus de 20 W/m²), diminuant alors la part des autres ;

— l’évaluation de la variation de l’effet de serre des seuls aérosols depuis le début de l’ère industrielle a fait l’objet de nombreuses esti mations différentes et donc de débats. La meilleure estimation nous semblerait aujourd’hui de ( 0,3 W/m²), soit une diminution de l’effet de serre, donc un refroidissement de la Terre [Myhre G., « Consistency between satellie derived and modeled estimates of the direct aerosol effect », Science, 10 juillet 2009, 325, p. 187-190].

Nota bene

1. la présence de vapeur d’eau et d’éventuels nuages a un effet multiplicateur d’au moins trois sur la hausse de température due au gaz carbonique ;

2. le gaz carbonique est très loin d’être le gaz à effet de serre le plus puissant. Il est seulement le plus abondant (mise à part la vapeur d’eau), le premier à élever la température globale.

Bilan radiatif de la Terre par m² de surface de la Terre

Flux incident du Soleil : on adopte comme flux moyen de toute la surface de la Terre, jour et nuit inclus, 342 W/m² qui est le rapport de la surface de la Terre sur la section droite du faisceau lumineux du Soleil qui l’illumine, soit un facteur 0,25.

(Cette puissance qui nous arrive du Soleil est mesurée par exemple sur l’instrument HF*, entre 1 372 et 1 374 W/m². Plus récemment, la mesure sur VIRGO est passée par un maximum en 2002 à ~ 1 366-1 368 W/m², et par un minimum vers 1996 à ~ 1 364-1 366 W/m². N’oublions pas que les divers instruments sur satellites mesurent des gammes de longueurs d’onde distinctes.)

Flux solaire réfléchi par les nuages, les aérosols et l’atmosphère : 77 W/m².

Flux solaire absorbé par l’atmosphère : 67 W/m².

Flux solaire réfléchi par la surface de la Terre : 30 W/m².

Flux solaire renvoyé vers l’espace : 107 W/m².

Flux solaire absorbé par la Terre : 168 W/m².

Coefficient de réflexion (dit albédo) de la surface de la Terre : 30/302 ≈ 10 %.

(Comme tous les chiffres de cet exposé, ce coefficient de réflexion, dit « albédo », est une moyenne. L’albédo du rayonnement visible tombant sur les océans est de 6 %. Tout le reste est absorbé par la couche superficielle des océans. L’eau est donc un merveilleux piège au rayonnement solaire, donc le lieu idéal pour développer le vivant.)

L’albédo des glaces pour le rayonnement visible va de 90 à 95 %. Presque tout est renvoyé vers l’espace. Les parties de la surface de la Terre, couvertes de glaces restent donc une source froide.

Un désert de sable renvoie 35 % du rayonnement solaire.

Tous les types de forêts ne renvoient pas plus de 6 % du rayonnement solaire incident sur elles. Elles conservent le reste et le transforment dans leurs feuilles, par photosynthèse. Le système des feuilles et des sols est très efficace pour que les plantes capturent leur nourriture lumineuse et en fassent les matériaux du vivant ainsi que l’énergie stockée sous forme d’ATP (c’est-à-dire d’énergie de liaisons chimiques), par la photosynthèse. Les hommes n’ont pas encore réussi à piéger le rayonnement solaire aussi efficacement.

Chaleur de conduction et de convection de la Terre vers l’air à son contact : 24 W/m².

Chaleur latente émise par la Terre sous forme de vapeur d’eau : 78 W/m².

Flux IR du rayonnement IR traversant l’atmosphère sans être absorbé, car situé dans une « fenêtre » du rayonnement : 40 W/m².

Flux infrarouge absorbé par les gaz à effet de serre de l’atmosphère (c’est-à-dire l’opacité de l’atmosphère aux rayons infrarouges) et renvoyé vers la Terre : 324 W/m².

Flux de rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre, par toute l’épaisseur de la troposphère, vers l’espace : 168 W/m².

Effet de serre

Flux radiatif infrarouge piégé par les gaz à effet de serre dans l’atmosphère : entre 100 et 160 W/m² (suivant que le ciel est clair, ou nuageux, ou chargé d’aérosols, ou plus ou moins chargé de vapeur d’eau, et que l’on est plus ou moins loin de l’équateur) soit, en température et en moyenne, environ une hausse de 33 °C de la surface du sol et de la basse atmosphère (dite « troposphère »), dite aussi, effet de serre.

Un autre exemple d’effet de serre moyen mesuré : piégeage de 125 W/m².

Partie due à l’absorption du flux IR par la vapeur d’eau, environ 60 %, soit 75 W/m².

Partie due à l’absorption du flux IR par le gaz carbonique, environ 26 %, soit 32 W/m².

Partie due à l’absorption du flux IR par le méthane, environ 6,4 %, soit 8 W/m².

Partie due à l’absorption du flux IR par l’ozone de la troposphère, environ 8 %, soit 10 W/m².

Les relations entre ces trois mesures (W/m², °C et % de concentration de CO₂), conséquences du même effet de serre, sont l’augmentation de température de la Terre [°C] # 1/3 du flux infrarouge piégé [W/m²] et l’effet de serre en W/m² = 32 W/m² + 6,3 Ln(teneur en CO₂/teneur en CO₂ initiale [W/m²]). Ln veut dire logarithme népérien.

Une autre relation est utile (relation entre le total du CO₂ émis cumulé dans l’atmosphère et la hausse totale de la température de l’atmosphère pendant cette durée, toutes les absorptions et émissions des océans, biosphères et leurs réciproques étant prises en compte). The Carbon Climate Response (CCR) est 1,0 °C – 2,1 °C/10¹² tonnes de carbone (TtC) émis.

Exemple : 1 trillion de barrels, ce qui serait environ encore sous terre : = 10¹² × 159 litres, induit une hausse de température moyenne de la surface de la Terre de 0,16 °C – 0,33 °C. [Matthews H. D. et al., « The proportionality of global warming to cumulative carbone missions », Nature, 459, 11 juin 2009, p. 829-836.]

Ainsi, le doublement de la teneur en CO₂ de l’atmosphère entraîne une hausse ...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Introduction
• Chapitre premier - L’empreinte de l’humanité sur la Terre
• Chapitre 2 - L’effet de serre et les changements climatiques
• Chapitre 3 - Les sociétés humaines et le changement global
• Chapitre 4 - Du changement climatique au changement global
• Chapitre 5 - Qu’attendre des technologies énergétiques ?
• Chapitre 6 - Les calendriers de la transition
• Épilogue
• Unités et ordres de grandeur qui les utilisent
• Glossaire
• Sigles et acronymes
• Notes
• Appendice 1 - La machine climatique terrestre
• Remerciements
• Index
• Des mêmes auteurs chez Odile Jacob