ADEME Formation - Edition 2007

ADEME Formation - Edition 2007
Bilan Carbone™ quel intérêt, quels usages ? ASPECTS PHYSIQUES DU CHANGEMENT CLIMATIQUE - Présentation des aspects physiques du changement climatique. - Définition du problème d'un point de vue physique et éclairage sur les écarts entre désirs et lois de la physique. BILAN CARBONE

SOMMAIRE 1- Effet de serre - naturel - d’origine humaine 2 - Comparer les gaz à effet de serre, pas si simple! 3 - Scénarios d’évolution et modèles climatiques Changement climatique : quels impacts ? BILAN CARBONE

Un peu de sémantique le climat, ce n’est pas la météo Une seule planète (et un seul système climatique !) mais : Météo Très court terme (< une semaine) Local Compartiment dominant : Atmosphère Le reste peut être négligé Climat Moyen et long terme Régional et global Éléments influents : Atmosphère Soleil Océans Glaces polaires Chimie atmosphérique Volcans Végétation Dérive continents ….activités humaines La météo, c’est le temps qu’il fait « tout de suite », ou dans pas très longtemps, et « devant ma porte », ou pas très loin. Elle se traduit par des valeurs instantanées et locales de la température, des précipitations, de la pression, de la nébulosité, etc. Pour faire de la météo, il suffit, pour l’essentiel, de regarder ce qui se passe dans l’atmosphère Il est très facile de passer de la météo au climat (c ’est même comme cela que l’on fait des moyennes) ; il est bien plus difficile de deviner la météo de demain à partir de grandes tendances climatiques Les variations moyennes du climat ne permettent pas de déterminer le temps qu'il fera à une date et un lieu précis. Pour cerner le comportement du climat, il ne suffit pas de regarder ce qui se passe dans l’atmosphère (mais il faut quand même continuer à le faire !). Il faut aussi s’intéresser : L'astre solaire : variation du rayonnement solaire en fonction de plusieurs cycles : taches (11 ans); ellipse ( ans); axe de la Terre (1% tous les ans); précession des équinoxes. La variation du rayonnement peut atteindre 100 W/m². Les océans : effet tampon, et uniformisation des températures sur le globe. Composante fondamentale du climat engendrant également une très forte inertie à toute modification significative. L'Europe reçoit autant d'énergie du Gulf Stream que du soleil. Les glaces polaires : conditionnent le niveau des océans, réfléchissent 80% du rayonnement solaire qu'elles reçoivent. Ce sont des facteurs refroidissant du climat. Les volcans : La formation de l'atmosphère primitive est probablement due au CO2 rejeté par les volcans. Actuellement une éruption majeure engendrera un léger refroidissement (poussières) pendant 4 à 5 ans. La dérive des continents : les continents réfléchissent plus d'énergie que les océans. La constitution de l'antarctique il y a 30 millions d'année est devenu une composante majeure de notre climat. La végétation : Elle régule le climat pour assurer les conditions de sa propre existence en agissant notamment sur le cycle de l'eau. L'homme : L'homme est devenu depuis peu un nouvel agent de modification du climat en modifiant de manière très rapide la composition chimique de l'atmosphère. BILAN CARBONE

Facteurs de variation du climat et de la météo Météo : seul l'atmosphère intervient. Climat: plusieurs facteurs interviennent Causes de variation climatique et temps caractéristiques en années. Source Edouard Bard, exposé au Collège de France BILAN CARBONE

L’effet de serre repose sur une physique très ancienne Joseph Fourier (F) : le rôle de l'atmosphère. Claude Pouillet (F) - John Tyndall (Irl) : le rôle de la vapeur d'eau et du gaz carbonique dans l’effet de serre naturel. Svante Arrhenius (S) : 4°C en plus pour un doublement du CO2 dans l’air. Lewis Fry Richardson (GB) : première expérience de modélisation du climat. Le premier ordinateur (l’ENIAC) est utilisé pour le premier modèle de prédiction météorologique. premier forage glaciaire au Groenland par des américains (2005 : des européens forent à ans). Création de l'International Panel on Climate Change (IPCC). Années 1990 : Premiers modèles climatiques globaux. Signature de la "Convention Climat ». Signature du Protocole de Kyoto, qui est entré en vigueur début 2005. Le nouveau président américain ne se mêle plus de dire quelle est la bonne science…. Les connaissances relatives à l'effet de serre et au changement climatique existent depuis déjà assez longtemps : 1824 : Joseph Fourier, physicien français, publie "Remarques générales sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires", où il expose que la température du sol est augmentée par le rôle de l'atmosphère. 1838 : Claude Pouillet, physicien français, attribue l'effet de serre naturel à la vapeur d'eau et au gaz carbonique. Il conclut que toute variation de la quantité de vapeur d'eau, comme de CO2, devrait se traduire par un changement climatique. 1896 : Svante Arrhenius, chimiste Suédois (Prix Nobel 1903) prédit que l'utilisation intensive des combustibles fossiles engendrera un réchauffement climatique. Il donne un ordre de grandeur : 4°C en plus pour un doublement du CO2 dans l’air. 1920 : Lewis Fry Richardson, un physicien anglais, tente une première expérience de modélisation du climat à partir des seules équations de la physique (sans ordinateur !). 1950 : Le premier ordinateur (l’ENIAC) est utilisé pour expérimenter le premier modèle numérique de prédiction météorologique. 1966 : Des scientifiques américains réalisent le premier forage glaciaire au Groenland. Les Européens (et les Grenoblois !) s’illustreront remarquablement dans ce même domaine. 1987 : Création de l'International Panel on Climate Change (IPCC), dont la traduction française est Groupe Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat (GIEC). Années 1990 : Début des simulations couplant modèles océaniques et modèles atmosphériques. 1992 : Signature, lors du Sommet de la Terre à Rio de Janeiro, de la "Convention Climat », dont le protocole de Kyoto, signé en 1997, n’est qu’un appendice (mais plus important que le nôtre !). 2004 : En ratifiant le Protocole de Kyoto, la Russie garantit son entrée en vigueur le 16 février 2005. 2008 : Le nouveau président américain ne se mêle plus de dire quelle est la bonne science…. BILAN CARBONE

Qu ’est-ce que « l ’effet de serre » ? Un rapide aperçu du fonctionnement de l ’atmosphère Principes de base du fonctionnement de la machine climatique et de l'effet de serre. L'énergie nécessaire au fonctionnement de l'ensemble est fournie par le rayonnement solaire. Environ 1/3 du rayonnement est renvoyé par l'atmosphère (nuages), les pôles et le sol. Environ ½ est absorbée par le sol qui va la restituer de 3 façons : En réchauffant l'air par le bas, mettant en route le cycle de l'eau. En faisant évaporer l'eau, ce qui consomme beaucoup d'énergie. En émettant un rayonnement infrarouge. L'atmosphère chargé d'énergie va s'en débarrasser en émettant des infrarouges dans toutes les directions, une partie part vers l'espace, le reste vers le sol. Ce mécanisme permet ainsi d'augmenter la température moyenne de 30°c environ. Globalement, le système tend à l’équilibre Très récemment, l'homme est intervenu en augmentant artificiellement la teneur de l'atmosphère en GES, qui contribuent à retenir une plus grande quantité d'infrarouges, d'où augmentation du chauffage du sol, intensification du cycle de l'eau et donc des émissions d'infrarouges dans l'atmosphère. Les nuages ont des effets antagonistes : les cumulus ont une action refroidissante (de l'ordre de 40 W/m²) et les cirrus ont une action réchauffante (environ 40 W/m²). Les cirrus incluent les traînées d'avions. BILAN CARBONE

Qu’est-ce qu’un gaz à effet de serre ? Par définition : Un gaz à effet de serre est un gaz présent dans la troposphère (la basse atmosphère) et qui intercepte une partie du rayonnement terrestre (essentiellement composé d’infrarouges). A chaque gaz à effet de serre est attachée une notion essentielle : le « forçage radiatif », qui définit quel supplément d’énergie (en watts par m2) est renvoyé vers le sol par une quantité donnée de gaz dans l’air BILAN CARBONE

L’origine de l’effet de serre naturel L'effet de serre naturel est principalement dû à la vapeur d'eau qui représente 0,3% de l'atmosphère environ. Pour les autres gaz, il s'agit pour l'essentiel du CO2. BILAN CARBONE

Il y a aussi de l’effet de serre « ailleurs » L'effet de serre existe aussi sur d'autres planètes du système solaire dans des proportions très variables. Très peu sur Mars qui a peu d'atmosphère et où il fait -50°c; sur Vénus l'atmosphère contient 96% de CO2 et la température moyenne est de +420 °C. A titre de comparaison, si la Terre était sur l'orbite de Vénus, la température moyenne serait d'environ 50°C. De même Mercure qui est la plus proche du soleil, a une température moyenne de 180 °c. Ces exemples illustrent bien jusqu'où peut aller le mécanisme de l'effet de serre. BILAN CARBONE

Les principaux gaz « à effet de serre » Gaz Origine H2O – Vapeur d'eau Évaporation CO2 – Gaz carbonique Combustion Pétrole, Charbon, Gaz CH4 – Méthane; Gaz Naturel Décomposition anaérobie des molécules organiques (Bovins, rizières, décharges…) ou pyrolyse des composés organiques (exploitation des combustibles fossiles, feux) N2O – Protoxyde d'azote Engrais azotés - industrie chimique HFC – PFC – SF6 Hydrocarbures Fluorés (CFC…) Gaz réfrigérants Procédés industriels divers (expansion des mousses plastique, composants électroniques, appareillage HT, électrolyse de l’alumine…) O3 – Ozone Pas d'émissions directe - photoréaction CH4 et NOx Les gaz à effet de serre (GES) sont des molécules capables d'absorber le rayonnement infrarouge émis par la Terre. La vapeur d'eau est en quantité de loin le plus important, il résulte de l'évaporation naturelle. Le CO2 : le principal GES après la vapeur d'eau. Représente près de 0,04% de l'atmosphère. Résulte de la combustion des énergies fossiles. Le CH4 ou Méthane ou Gaz naturel : c'est le gaz de la putréfaction; On le trouve dans les marécages (naturels ou artificiels tels que les rizières), les estomacs des ruminants, mais également dans les mines de charbon (le grisou) ou dans le pétrole (extrait lors du raffinage et brûlé dans les torchères). Le N2O ou Protoxyde d'azote, également connu sous le nom de gaz hilarant. Également lié à l'activité agricole, car résulte principalement de l'utilisation d'engrais azotés, qui engendrent des émissions de N2O lors d'une réaction chimique avec le sol. CO2, CH4 et N2O existent à l'état naturel. HFC, PFC et SF6 : familles de molécules complexes créées par l'homme, caractérisées par leur très grande stabilité chimique (et donc des durées de vie parfois très longues), et qui s'avèrent être de puissants GES. Il faudrait ajouter les CFC très interdits de production depuis plusieurs années du fait de leur action sur la couche d'ozone. Les CFC avait dans un premier temps remplacé l'ammoniaque dans les circuits réfrigérants. Ces gaz se retrouvent dans les différentes solutions de production de froid (groupes froids, climatisation etc..), pour la fabrication de mousses plastique et comme émission annexe lors de l'électrolyse de l'alumine. O3 l'Ozone : seul GES de cette série qui ne résulte pas d'émissions directes. Il apparaît suite à une réaction chimique mettant en jeu plusieurs composants. Cf. plus loin. Les six gaz en rouge, sont ceux pris en compte par le protocole de Kyoto. BILAN CARBONE

Forçage radiatif par gaz à fin 2005 Contribution de chaque gaz au forçage radiatif à fin Total : environ 3 W/m2, à comparer à un chauffage solaire direct de 235 W/m2 au niveau du sol. (source GIEC, 2007) BILAN CARBONE

D ’où vient le CO2 d’origine humaine ? Les émissions de CO2 résultent de la combustion des énergies fossiles (Gaz, Pétrole, Charbon). En terme d'usage, le premier poste d'émissions au niveau mondial est lié à la production d'électricité. Cette dernière est réalisée à 40% avec du charbon, notamment aux USA, en Chine et même un tout petit peu en France. Pour les transports il s'agit essentiellement du pétrole, et pour le chauffage, du gaz et du pétrole (fioul). Le changement d’usage des sols correspond à la déforestation pour faire des terres agricoles. Répartition des émissions de CO2 dans le monde par secteur, 2004 (source GIEC) BILAN CARBONE

D ’où vient le méthane d’origine humaine ? Mis à part les 30% environ des émissions de méthane liées aux combustibles fossiles, tout le reste concerne l'agriculture Il y a 1,3 milliards de bovins dans le monde, dont 20 millions en France. Les rizières sont des marécages artificiels. Le méthane des décharges résulte principalement de la putréfaction des déchets alimentaires ou de l'industrie agroalimentaire. Les émissions de méthane des brûlis proviennent d’une mauvaise combustion. Répartition des émissions de méthane dans le monde par secteur, 2004 (source GIEC) BILAN CARBONE

D ’où vient le N20 d’origine humaine ? N2O = gaz hilarant 2/3 des émissions de N2O sont engendrées par l'activité agricole. ¼ environ sont liées à certains processus de l'industrie chimique (fabrication du nylon…). (gaz réglementé sur les installations chimiques) Répartition des émissions de N2O dans le monde par secteur, 2004 (source GIEC) BILAN CARBONE

D’où vient l’ozone ? Ozone stratosphérique 3 O2 +   2 O3 +  Souhaitable Ozone troposhpérique NO2+ COV +  -> O3 + … -> O2 + … Pas souhaitable Il y a deux endroits où l’ozone se forme « naturellement » dans l’atmosphère : la troposphère (couche de l’atmosphère qui « touche » le sol), et la stratosphère (la couche qui est juste au-dessus). Il s’agit dans les deux cas de figure du même gaz : O3. Il intercepte les ultraviolets solaires et les infrarouges terrestres : c’est donc un gaz protecteur (UV) et un gaz à effet de serre. Il se trouve naturellement dans la haute atmosphère : 3 O2 + Rayonnement  2 O3 + UV Il se trouve aussi naturellement près du sol : NO2 + COV + UV  O3 + … -> O2 + … Dans ce deuxième cas, augmenter les émissions de NOx, de certains COV, et/ou les deux ensemble conduit à l’apparition d’ozone dans l’air… si le rayonnement solaire est bien là ! Rappel : le problème du trou de la couche d'ozone stratosphérique, et le changement climatique n'ont aucun rapport l'un avec l'autre, contrairement à ce que pensent encore 1/3 des français environ. Cette perception peut s'expliquer en partie par le fait que l'ozone est aussi un GES. BILAN CARBONE

C’est indispensable pour l’action, et pourtant… comment construire un tel camembert ? Répartition des émissions mondiales par nature de gaz en 2004, hors ozone (GIEC, 2007) Comment évaluer le poids respectif du forçage radiatif de chaque GES ? BILAN CARBONE

1er critère discriminant le forçage radiatif de chaque GES La stabilité chimique et donc la longévité Ces courbes reflètent la durée de résidence des gaz dans l’atmosphère, qui va parfois évoluer à l’avenir (notamment pour le CO2) Commentaire: Les scientifiques ont calculés l’effet cumulé de la présence de ces gaz sur une certaine durée de référence. Il savent désormais estimer la durée de séjour dans l’atmosphère de ces gaz, c’est-à-dire le temps qui est nécessaire pour que le gaz en surplus disparaisse dans l’atmosphère. Lors de la mesure, plus la durée de référence est longue, moins les gaz à faible temps de résidence pèsent dans le total. Forçage radiatif au cours du temps d’une tonne de gaz émise à l’instant 0 (axe horizontal : en années -échelle logarithmique ; axe vertical : forçage radiatif en W/m2 – échelle logarithmique) Source : D. Hauglustaine, LSCE BILAN CARBONE

L’unité de comparaison : le PRG Une équation compliquée, mais une signification « très simple » ! Le Pouvoir de Réchauffement Global : combien de fois le CO2 ? BILAN CARBONE

Le PRG en pratique Le PRG (pouvoir de réchauffement global): un indicateur par nature approximatif, mais qui permet l’action L’effet du relâchement dans l’atmosphère d’un kilo de GES n’est pas le même quel que soit le gaz. Le PRG ou GWP (Global Warming Potential) quantifie l’impact cumulé sur le climat de chaque gaz. Il indique « combien de fois plus » un kg de ce gaz « perturbe le climat » (en fait les échanges radiatifs), pendant une durée donnée, qu’un kg de gaz carbonique. Le PRG permet d’appréhender à la fois: la capacité d’absorption instantanée du gaz découlant de ses raies d’absorption sa durée de séjour dans l’atmosphère Sa valeur se mesure non pas dans l’absolu mais relativement au CO2. Les durées 20 ans, 100 ans sont prises conventionnellement Commentaire: Quelques exemples de ce que signifie cette comparaison : - émettre un kg de méthane ou 72 kg de gaz carbonique « perturbe le climat » à peu près de la même manière à 20 ans d’échéance - émettre un kg de protoxyde d ’azote ou 298 kg de gaz carbonique « perturbe le climat » à peu près de la même manière à 100 ans d’échéance (GIEC, 2007) PRG = équivalent CO2 BILAN CARBONE

Une autre unité dérivée du PRG X 12/44 = 0.27 X 44/12 = 3.67 CO2 C L ’unité de mesure des physiciens : l’équivalent carbone Dans un kg de dioxyde de carbone on trouve 0,27 kg de carbone (= 12/44 : rapport des masses moléculaires) Par définition, l’équivalent carbone est donc le PRG à 100 ans ramené au seul poids de carbone dans le CO2, autrement dit le PRG multiplié par 12/44. Il s’agit d’une grandeur qui se mesure en kg. Commentaire: L’intérêt de cette mesure en équivalent carbone est sa simplicité d ’emploi (malgré les apparences !) : la combustion complète d’une tonne de carbone pur dégage exactement une tonne équivalent carbone sous forme de CO2. Pour toutes les combustions complètes de composés carbonés, l’équivalent carbone du CO2 dégagé correspond donc exactement au poids de carbone dans le composé de départ. (d’après GIEC, 2007) BILAN CARBONE

Et donc… Pour tout inventaire des émissions humaines : - on utilise le PRG à 100 ans (équivalent CO2) ou l’équivalent carbone - on ne prend pas en compte la vapeur d’eau (durée de résidence faible et pas d’augmentation de la concentration discernable résultant des émissions) - on ne prend pas en compte l’ozone (pas d’émissions directes, gaz à durée de vie courte, et incapacité à calculer les émissions indirectes avec une règle simple) BILAN CARBONE

Comptabiliser les GES…
ADEME Formation - Edition 2007 Comptabiliser les GES… Un exercice intrinsèquement approximatif à cause des incertitudes de nature physique Raisonnement en ordres de grandeur Résultats en ordres de grandeur BILAN CARBONE

Grâce à l’unité de mesure, on peut enfin comparer les gaz à effet de serre Emissions mondiales par nature de gaz en 2004, en millions de tonnes équivalent carbone, hors ozone (Jancovici, 2007, sur données GIEC, le CH4 et le N2O sont repris avec leurs PRG 2007) BILAN CARBONE

Grâce au PRG, on peut aussi faire ce genre de camembert Répartition approximative des émissions de gaz à effet de serre hors ozone dans le monde par secteur, 2004 (source IPCC, AR4, WGIII, 2007) BILAN CARBONE

Grâce au PRG et aux affectations, on peut encore faire ce genre de camembert On obtient une répartition approximative des émissions de GES dans le monde par secteur hors ozone. Cette fois l’agriculture (l’alimentation) représente environ 1/3 des émissions car l’usage des halocarbures concerne principalement les chaînes du froid. Répartition approximative des émissions de gaz à effet de serre hors ozone dans le monde par secteur, 2004, après imputation des émissions de production de l’électricité à ses consommateurs. Jancovici, 2007 BILAN CARBONE

Avec quoi émettons-nous des gaz à effet de serre en France ? En France la répartition de ces émissions est différente principalement à cause de notre production d’énergie qui émet moins de GES en raison de l’usage d’énergie électrique nucléaire. Les autres secteurs sont responsables, à peu près à part égale d’une vingtaine de % des émissions de GES. Répartition des émissions brutes françaises 2005 (tous gaz à effet de serre pris en compte, sauf ozone) par secteur (hors transports maritimes et aériens internationaux) (source CITEPA) BILAN CARBONE

Émissions de CO2 provenant de combustibles fossiles
AlternConsult 02/06/06 Émissions de CO2 provenant de combustibles fossiles Récession Guerre Choc pétrolier Très Grosse Récession M TeC 6 à 7 milliards de tonnes de carbone sont émises par l'activité humaine chaque année. La grande majorité des émissions anthropiques de GES est liée à l'utilisation des énergies fossiles. Les émissions provenant de leurs combustions ont été multipliées par 4 en 50 ans. Émissions de CO2 et croissance économique sont fortement corrélées : les à coups de la courbe reflètent les périodes de récession économique. La récession économique est une bonne chose pour le climat. La physique n'interdit pas une récession économique longue, elle interdit seulement une croissance infinie. Les émissions de CO2 provenant de combustibles fossiles ont été multipliées par plus de 4 depuis 1950, comme le PIB mondial. CO2 et PIB sont très fortement corrélés à la baisse aussi (AIE 2004) Présentation Bilan Carbone

Focus sur le cycle du carbone
 ppm  ppm  °C (7,5)  PH -> ?? L ’émission liée aux activités humaines est faible comparé aux échanges naturels, mais importante comparée au solde de ces échanges naturels. Chiffres en noir : stocks et flux préindustriels. Chiffres en rouge : modifications d’origine anthropique (flux pour la moyenne de la décennie 1990 ; modifications des stocks sur la période ). Source GIEC, 4è rapport d’évaluation, 2007

Émissions de GES et climat : focus sur le cycle du carbone 1 - Les stocks En milliards de tonnes de carbone Atmosphère : 750 Biosphère : 2360 Sols : 2/3 Végétation : 1/3 Océans : 38000 Le carbone est un élément essentiel de notre planète. Il est présent sous différentes formes dans des proportions variables. Les stocks de carbone sur la Terre sont répertoriés dans 4 principaux endroits : l'atmosphère avec 750 milliards de tonnes de carbone environ, la biosphère : 2360 milliards de tonnes, dont 2/3 dans les sols et 1/3 pour la végétation, l'hydrosphère ou les océans : milliards de tonnes, la lithosphère : milliards de tonnes dont les énergies fossiles pétrole, gaz, charbon. Lithosphère : BILAN CARBONE

Émissions de GES et climat : focus sur le cycle du carbone 2 – Les flux : naturels et anthropiques En milliards de tonnes de carbone par an Atmosphère Biosphère Océans Lithosphère Flux Naturels Atmosphère Biosphère Océans Lithosphère Flux Anthropiques 61,5 60 92 90 1.0 0,8 0,04 6.0 Flux naturels dans les conditions climatiques actuelles Atmosphère  Biosphère : la photosynthèse capte de 61 à 62 milliards de tonnes de carbone par an. Biosphère  Atmosphère : La respiration de végétaux, l'activité microbienne (décomposition) provoque une restitution d'environ 60 milliards de tonnes de carbone par an. Atmosphère  Océans : dissolution du CO2 dans les océans froid et photosynthèse du phytoplancton captent 92 milliards de tonnes de carbone par an. Océans  Atmosphère : dégazage du CO2 dissout dans les océans chauds, respiration du phytoplancton, du zooplancton et de la faune = restitution de 90 milliards de tonnes de carbone. Biosphère  Océans : transport de carbone par les rivières Lithosphère  Atmosphère : activité volcanique Les flux naturels sont donc globalement plus séquestrant qu'émissif à raison de 3 à 3.5 milliards de tonnes de carbone par an. Flux anthropiques Biosphère  Atmosphère : Déforestation et changement d'usage des sols (labours) – émission nette de 1 milliard de tonne de carbone par an. Lithosphère  Atmosphère : combustibles fossiles – émission nette de 6 milliards de tonnes de carbone par an. Au total actuellement, les flux anthropiques sont à l'origine d'émissions d'environ 7 milliards de tonnes de carbone par an. Globalement flux naturels et flux anthropiques se soldent par des émissions annuelles nettes de 3 à 3.5 milliards de tonnes de carbone par an. Émissions totales : 150 GtC Séquestration : GtC Émissions totales : 7 GtC Séquestration : 0 GtC BILAN CARBONE

Les carottages glaciaires, source d’avancées majeures L'analyse isotopique des bulles d'air emprisonnées dans les glaces polaires a permis des avancées très importantes pour la reconstitution des climats du passé. Des équipes de chercheurs français sont à l'avant-garde dans ce domaine. A gauche, un carottier, à droite, un des morceaux de la carotte extraite à Vostok (Images aimablement communiquées par Jean-Robert Petit , Laboratoire de Glaciologie de Grenoble) BILAN CARBONE

Tout ces gaz se retrouvent dans l’air, et…..une partie y reste Début de la révolution industrielle Concentration sur les 2000 dernières années (Source : GIEC, AR4, 2007) 2100 ? Quel est l'impact réel de ce surplus d'émissions sur la teneur globale de l'atmosphère en CO2 ? Il faut comprendre comment cette teneur a évolué dans le temps. C’est notamment ce qu'ont permis de reconstituer les analyses de carottes glaciaires du Groenland et de l'Antarctique. Sur le dernier millénaire, la concentration de CO2 dans l'atmosphère mesurée en Parties Par Million (ou encore millimètres cubes par mètre cube), oscille légèrement autour de 280 ppm (soit encore 0.028% de l'atmosphère). Depuis 1800 il y a une nette augmentation de cette concentration, qui s'accélère dans la seconde moitié du 20e siècle. Sur une plus longue période, jusqu'à ans, et même ans, la concentration de CO2 oscille entre 200 et 280 ppm. Le mieux que la nature ait su faire est une augmentation de 80 ppm en ans. L'homme l'a fait en 200 ans. Concentrations atmosphériques du CO2, CH4, N2O sur les dernières années (Source GIEC, AR4, 2007) BILAN CARBONE

Et après ? ? ? ? BILAN CARBONE

Une simulation climatique, c’est quoi ? Concentration en GES MODELE CYCLE C CO2 CH4 HYPOTHESES ECONOMIQUES ET DEMOGRAPHIQUES Emissions de GES Climat Futur MODELES CLIMATIQUES (~15) Scénarios = jeu d’hypothèses sur le développement économique, l’intensité et les modes d’approvisionnement énergétique et le développement de la population mondiale. BILAN CARBONE

Demain, quelles émissions ? Ces graphiques présentent les émissions de 4 GES selon divers scénarios. Ce sont donc les résultats de l’évolution des émissions de ces gaz d’ici à 2100 en fonction d’hypothèses de développement économique et démographique. Les physiciens ont besoin de telles hypothèses exogènes pour définir la quantité de GES que va engendrer la population mondiale. L’évolution du climat n’est pas indépendante des hommes. Les scénarios permettent donc de tester la sensibilité du climat en fonction de nos comportements. Chaque scénario d’émission de gaz à effet de serre a une couleur différente et correspond à des hypothèses différentes. Entre le scénario le plus optimiste et le plus pessimiste on note: Pour le carbone un facteur 4 (entre 7Md et 30Md de t ) qui reflète la variabilité de la croissance démographique, de la consommation matérielle, des quantités de combustibles fossiles disponibles,… Pour le méthane et le N2O un facteur 2 (méthane entre 600M de t et 1,4Md de t – NO2 entre 16 et 26 M de t) Pour le SO2 un facteur 3 (de 20 à 60 M de t) il s’agit d’un marqueur de la pollution industrielle locale et ce gaz a un « effet de refroidissement » du climat. Mais les émissions à venir devraient être moins importantes compte tenu des efforts réalisés pour combattre les pollutions locales « classiques » et il ne devrait pas être émis autant que ce que l’on pensait il y a quelques années. De plus son temps de résidence dans l’atmosphère est beaucoup plus court que les autres GES Complément: Les projections de température sont réalisées en se basant sur des scénarios d’émissions qui prennent en compte tous les gaz à effet de serre, qui « réchauffent » le climat, et les émissions soufrées, qui « refroidissent » le climat. Ces scénarios représentent des évolutions possibles, mais non certaines, du monde. Aucun scénario utilisé pour les simulations n’est considéré comme plus probable qu’un autre par les modélisateurs. Émissions de CO2, CH4, N2O, SO2 suivant divers « scénarios de travail » (Climate Change 2001, the scientific Basis, GIEC, 2001) BILAN CARBONE

Évolution de la concentration en CO2 pour ces divers scénarios On peut passer des émissions aux concentrations dans l’atmosphère pour chacun des scénarios. En ordonnée on dispose de la concentration en CO2 en ppm partie par millions En abscisse on retrouve l’échelle de temps entre l’an 1000 et l’année de référence des scénarios 2100. Avec des émissions constantes par rapport à ce qu’elles sont aujourd’hui, on observe une accélération beaucoup plus forte qu’au cours du 20ème siècle. D’ici 2100, la concentration en CO2 de l’atmosphère selon ces scénarios aura au minimum doublé. Les années 90 à aujourd’hui marquent une accélération importante. Tous les scénarios envisagés conduisent à une augmentation brutale de la concentration atmosphérique en CO2, plus ou moins vite selon nos comportements à venir (Climate Change 2001, the scientific Basis, GIEC, 2001) BILAN CARBONE

Qu’est-ce qu’un modèle ? (Source : L. Fairhead, LMD/IPSL) BILAN CARBONE

Premier réflexe avec un modèle : regarder… le passé Rose = avec influence humaine Bleu = sans influence humaine Il est nécessaire de vérifier la fiabilité des modèles La tendance lourde est bonne en moyenne glissante. Évolution régionale de la température moyenne de l’air au niveau du sol correspondant aux mesures (ligne noire ; 0 de l’ordonnée = moyenne ), et enveloppe des élévations simulées par les modèles, avec et sans influence humaine (gaz et aérosols). (Summary for Policymakers, 4th Assessment Report, IPCC, 2007) BILAN CARBONE

Le rapport 2007 du GIEC confirme le rapport 2001 Les émissions mondiales passent par un doublement en 2050 10 milliards de terriens évoluent vers les émissions d’un Polonais de l’an 2000 Les émissions mondiales restent globalement constantes La concentration reste constante A l’aide de ces modèles, il est donc possible de regarder quelle serait l’évolution du climat selon les évolutions en GES. Les modèles prévoient une évolution de la température pour le prochain siècle comprise entre 1,7°c et 4°c avec les 7 scénarios retenus (données du GIEC en 2007) Évolution de la température moyenne de l’air au niveau du sol, selon les scénarii. (Summary for Policymakers, 4th Assessment Report, GIEC, 2007) BILAN CARBONE

Existe-t-il un haut de fourchette ? La valeur donnée est la « plus probable », là… …mais les simulations disent qu’il existe une probabilité non nulle que ce soit là ! Signification des « fourchettes » d’élévation de température en par rapport à (Summary for Policymakers, 4th Assessment Report, IPCC, 2007) BILAN CARBONE

Quelques degrés en plus qu ’aujourd’hui, cela arrive souvent ? Apparition d’homo sapiens sapiens Attention : Les variations de la température antarctique sont deux fois plus importantes que les variations au niveau de la température moyenne du globe? Une humanité de quelques millions de chasseurs-cueilleurs, vivant 20 à 25 ans en moyenne, voit la température s’élever de 5°C… en ans Évolution de la température moyenne de l’Antarctique sur les années écoulées (Petit et al., Science, 1999) BILAN CARBONE

Quelques degrés en plus, c’est un changement d’ère climatique Depuis le dernier maximum glaciaire, la moyenne planétaire n’a augmenté «que» de 5°C, mais notre planète a considérablement changé. Il y a ans Aujourd’hui Période glaciaire : d’immenses glaciers, épais de plusieurs km, recouvrent l’Amérique et l’Europe du nord. Le sol de la France est gelé en permanence, et inapte aux cultures Période glaciaire : on passe à pied sec de France en Angleterre : la mer est plus basse de 120 mètres ! Période glaciaire : la température de l’Europe est plus basse de 8 à 10 °C mais celle des tropiques a peu varié -> Quelques degrés de hausse, ce sera une modification radicale du monde actuel BILAN CARBONE

La température n’évoluera pas partout de la même manière ADEME Formation - Edition 2007 Pour une élévation de température globale, celle-ci ne sera pas homogène à la surface du globe. La températures des zones océaniques devrait évoluer moins vite que les continents. Les températures aux tropiques devraient être inférieures aux pôles. L’effet de serre sera plus marqué dans les endroits humides que dans les endroits secs. L’évolution des températures sera plus rapide et nette aux pôles et sur les continents et dans l’hémisphère Nord que le Sud. Évolution régionale de la température (°C) en 2100 par rapport à la moyenne pour 3 scénarii (B1 = émissions constantes ; A1B = émissions qui doublent, A2 = émissions qui quadruplent). Notez que est indépendant du scénario : à 20 ou 30 ans, l’évolution est scellée. Summary for Policymakers, 4th Assessment Report, IPCC, 2007 BILAN CARBONE

Après la température, la pluie Pointillés = plus de 90% des modèles d’accord sur le sens de l’évolution Zone blanche = pas de consensus entre modèles Aussi importante voire plus que la température : la pluie. L’évolution des précipitations conditionne la vie des écosystèmes plus que la température. Chaque carré représente la comparaison inter-modèles (15 modèles). Si la réponse sur 10 modèles est convergente on a des pointillés, si les données sont divergentes on a une zone blanche et on ne sait pas interpréter l’évolution. On dispose ainsi d’une indication qualitative sur la réponse des modèles. Moyenne inter-modèles de l’évolution des précipitation en par rapport à la moyenne , pour deux scénarii (pas de couplage avec le cycle du carbone). Summary for Policymakers, 4th Assessment Report, GIEC, 2007 BILAN CARBONE

Quels sont les impacts possibles du changement climatique ? (1)
ADEME Formation - Edition 2007 Quels sont les impacts possibles du changement climatique ? (1) Quelques précautions d’usage… Connaissance partielle des processus et système non complètement déterministe  on parle de risques, auxquels on essaye d’associer une probabilité d’occurrence plus ou moins élevée (et non de certitudes). Ce qui est possible n’arrivera pas nécessairement L’ignorance d’un risque n’équivaut pas à son absence (ignorer un risque ne le fait pas disparaître !) Quand on se projette à 50 ou 100 ans, il ne faut pas raisonner à capacité de réaction constante : l’abondance énergétique et un environnement encore relativement préservé nous permettent aujourd’hui de faire face à bien des aléas ; qu’en sera-t-il dans un siècle? La connaissance des impacts du changement climatique est dépendante des prévisions (scénarios & modèles). Elle est donc associée à des probabilités d’occurrence. Ne pas prévoir un phénomène ne nous en protège pas. Ne pas prendre en compte le changement climatique (politique, développements…) ne nous met pas à l’abri des retombées potentielles (au contraire…) Capacité de réaction liée à l’énergie et matière (elle-même liée à l’énergie). BILAN CARBONE

Quels sont les impacts possibles du changement climatique ? (2) Impossible de « prévoir » toutes les mauvaises surprises possibles : la situation est inédite (pas de base de comparaison dans le passé), l’amplitude des conséquences (plus tard) dépend directement de nos émissions (actuelles), et ces dernières sont imprévisibles au sens strict, Le système climatique est non linéaire, et possède donc des seuils, dont le franchissement est synonyme de « catastrophe », mais dont l’identification est souvent difficile voire impossible Impact sur les écosystèmes (affaiblissement, disparition, déplacement), naturels et domestiques (agriculture) Augmentation du niveau des océans, évolutions des courants marins (climats régionaux) et acidification de l’eau Modification des phénomènes extrêmes (concernant les températures, les précipitations ou leur absence, le vent…) Impacts directs sur la santé humaine (vagues de chaleur ou de froid, déplacement des zones endémiques de maladies…) et indirects (insuffisance alimentaire, dictatures, guerres…). … Premier tour d’horizon non exhaustif des impacts indirects possibles du changement climatique : comment peut se traduit le changement climatique à l’échelle de l’individu? Écosystèmes: Faunes et Flores sont directement dépendants des conditions climatiques (température, hydrométrie…) NB: l’homme est dépendant des écosystèmes pour son alimentation, sa santé… Niveau des océans: fonte et dilatation thermique. Ce point est développé par la suite Phénomènes extrêmes: Ce point est développé par la suite Santé humaine: Observation corrélation température et propagation paludisme BILAN CARBONE

Élévation du niveau des océans : processus Accumulation sur la partie haute des calottes Fonte de la partie basse des calottes Fonte des glaciers des moyennes latitudes Dilatation de l’eau Fonte de la banquise : pas d’effet ! Avec l’augmentation des températures, l’eau se dilate naturellement d’où une élévation mécanique du niveau des océans. Inondations : impacts dépendants de la capacité de réaction : Pays-Bas ≠ Bengladesh (delta du Tsang Po) et Inde (delta du Gange) Salinisation due à la pression supérieure sur les côtes. compensation partielle par montée du niveau des nappes. Dégâts: niveau des océans supérieur par rapport aux ouvrages  plus de dégât (Nouvelle Orléans…) A droite, représentation schématique de la calotte occidentale de l'Antarctique, qui repose sur un socle rocheux sous-marin. Si le vent augmente (plus de vagues/houle) et/ou si la température de l'eau augmente et/ou si le niveau de la mer monte, tout cela concourt à attaquer plus vigoureusement la langue de glace flottante appelée "ice shelf". Dans le cas de la calotte occidentale de l'Antarctique, il se trouve que cette langue est arc-boutée sur l'autre partie du continent et concourt à stabiliser l'ensemble. Sa disparition à cause des modifications environnementales pourrait par ricochet entraîner la "désintégration" de cette calotte occidentale de l'Antarctique. Facteurs contribuant à la hausse du niveau des mers. Source : GIEC, 2007 BILAN CARBONE

Élévation du niveau des océans (m) (Climate Change 2001, the scientific Basis, GIEC) (années) L’eau montera sous l’influence de la dilatation des océans et de la fonte des glaciers continentaux: Inondations de surfaces terrestres peu élevées (deltas, ..) Salinisation possible des nappes phréatiques proches des côtes, Dégâts plus en profondeur lors de tempêtes BILAN CARBONE

A l’échelle du millénaire, ce sont surtout les calottes polaires qui contribueront à la hausse Diverses évaluations du bilan de masse annuel du Groenland : le côté horizontal du rectangle donne la durée de la mesure ou de l’évaluation, la hauteur est centrée sur la valeur la plus probable et donne l’incertitude. On note une forte accélération récente de la perte de masse. (4th Assessment Report, GIEC, 2007) A plus long terme, fonte partielle ou totale du Groenland. Les températures mentionnées sont les élévations au-dessus du Groenland atteintes en 3000 (très supérieures aux élévations planétaires en 2100). Un problème analogue se pose pour la calotte «occidentale» de l ’Antarctique. Les températures du Groenland sont environ deux fois plus sensibles au changement climatique que celles des principales zones peuplées. +8°C « correspond » environ à +4°C au dessus de l’Europe, ce qui est possible bien avant 3000! Le scénario haut (+8°C) n’est pas à exclure: il est tout à fait réaliste et aux conséquences importantes (mouvements de population…) Elévation du niveau de l’océan mondial (en cm) de 2000 à 3000 en fonction de l’élévation de température au-dessus du Groenland en La mise en route de la fonte de cette calotte semble quasiment certaine. (Climate Change 2001, the scientific Basis, GIEC) BILAN CARBONE

Modification des courants marins Conséquences d’un ralentissement de la circulation profonde : Modification de la répartition de chaleur à la surface du globe (impact régional pouvant être massif), diminution des apports minéraux en surface et de l ’oxygénation des fonds. Le cas du gulf stream : Courant dense refroidi et salé : évaporation Eau de surface plus douce et chaude: précipitations  Plongée précoce  Modification du climat européen BILAN CARBONE

La circulation dans l’Atlantique Nord a déjà fortement fluctué dans le passé BILAN CARBONE

Plus de tempêtes en France ? ne permet pas de conclure Tempêtes : définie à partir d’un seuil de vitesse maximale des vents La moyenne glissante permet d’observer les tendances: Pas d’augmentation ni de diminution significative du nombre de tempêtes. Ce qui n’empêche pas une augmentation des dégâts causée par une urbanisation galopante… Évolution du nombre de tempêtes par année (Source: Météo France) BILAN CARBONE

La variabilité : la moyenne ne reflète pas les événements isolés L’année de la canicule record de 2003 a un température moyenne de 1.3°C seulement au dessus de la moyenne des 50 dernières années. Evolution de la température moyenne en France depuis 50 ans. Le zéro est la moyenne La tendance est claire, et l’année 2003 est « seulement » 1,3 °C au-dessus de la moyenne.(Source: Météo France) BILAN CARBONE

Un dépassement de moyenne qui n’a pas été constant sur l’année A l’intérieur d’une année exceptionnellement chaude (2003), l’écart des températures à la moyenne n’a pas été homogène sur toute l’année. Écarts mensuels à la moyenne : 5°C d’écart en juin: 3 fois plus que l’écart entre la moyenne 2003 et la « normale » annuelle (Source Météo France) BILAN CARBONE

2003 et 2006 préfigurent l’avenir ? P’têt ben qu’oui…. Les conditions initiales de la simulation sont les conditions climatiques réelles jusqu’au début du XXIème siècle. Une tendance de la prévision très nette à l’augmentation des températures (estivales) pour des échéances très proches que nous sommes susceptibles de connaître! Simulation de la température moyenne du mois de juillet en France. L’été 2003 ou 2006 pourraient bien devenir la normale. Des étés à 50 °C ? BILAN CARBONE

Une puissance cyclonique accrue ? Catégorie des cyclones : de 1 à 5 selon la vitesse maximale des vents. Pas d’augmentation significative du nombre de cyclone à ce jour Mais une augmentation de la violence des cyclones : fréquence de cyclones de catégorie 4 et 5 multipliée par 2! Evolution sur 30 ans du nombre de cyclones dans le monde par catégorie, et proportion de chaque catégorie dans le total (Source Science, 2005) BILAN CARBONE

Le phénomène peut «s’emballer» : les puits deviennent des sources
ADEME Formation - Edition 2007 Le phénomène peut «s’emballer» : les puits deviennent des sources Sous l’effet d’un début de changement climatique, les écosystèmes continentaux (actuellement des puits) pourraient se transformer en source : les sols de forêts (par une augmentation de l’activité microbienne), la végétation (par le stress hydrique) - Ce qui renforce le changement climatique (température hydrologie…) Sous l’effet d’un début de changement climatique, les écosystèmes continentaux (actuellement des puits) pourraient se transformer en source : les sols de forêts (par une augmentation de l’activité microbienne), la végétation (par le stress hydrique). les pergélisols : méthane stocké sous forme d’hydrates solides qu’un début de réchauffement pourrait émettre de manière massive dans l’atmosphère les océans se stratifieraient, du fait de la fin des courants convectifs  fin du renouvellement des eaux de surface, dans lesquelles se dissout le CO2 le réchauffement des océans contribuerait à déstocker de grandes quantités de gaz - Ce qui renforce la pression sur les écosystèmes continentaux… BILAN CARBONE

ADEME Formation - Edition 2006 Le phénomène peut «s’emballer» : les puits deviennent des sources Flux Naturels Atmosphère Biosphère Océans Lithosphère Émissions totales : 150 GtC Séquestration : GtC BILAN CARBONE

Le déstockage est-il pour bientôt ?
ADEME Formation - Edition 2007 Le déstockage est-il pour bientôt ? Évolution du stock de carbone dans les sols européens en gramme de carbone par mètre carré et par an Tendance globale nette au déstockage en 2003 (année de la canicule) Conclusion: déstockage massif sur une année chaude Et nous allons connaître des années chaudes… Comparaison de la productivité primaire nette des écosystèmes européens en 2003 par rapport à la moyenne En 2003, l’Europe a déstocké 4 années de séquestration du CO2. (Source Ciais et al., Nature, septembre 2005) BILAN CARBONE

Le déstockage est-il pour bientôt ? (bis)
ADEME Formation - Edition 2007 Le déstockage est-il pour bientôt ? (bis) Céréales Vignobles Prairies Forêt Évolution relative du carbone dans les sols anglais de 1978 à 2003 en gramme de carbone par mètre carré et par an et par kg de carbone dans les sols. Les sols les plus riches en carbone sont ceux qui ont le plus déstocké… Evolution du stock de carbone dans les sols anglais de 1978 à 2003 (Source Bellamy et al., Nature, septembre 2005) BILAN CARBONE

ADEME Formation - Edition 2007 Le phénomène peut «s’emballer» : les puits deviennent des sources les pergélisols (partie du sol située sous la surface qui ne dégèle pas pendant au moins 2 années consécutives, 25% des terres émergées). Ils contiennent du méthane stocké sous forme d’hydrates solides qu’un début de réchauffement pourrait émettre de manière massive dans l’atmosphère les océans se stratifieraient, du fait de la fin des courants convectifs,  fin du renouvellement des eaux de surface, dans lesquelles se dissout le CO2 le réchauffement des océans contribuerait à déstocker de grandes quantités de gaz …. Des phénomènes induits par le changement climatique ont des effets qui peuvent renforcer le changement climatique ou certains effets du changement climatique. Les pergélisols : dégel du permafrost, déstockage du méthane, création de tourbières (zones humides) -> renforcement de l’effet de serre. Stratification des océans : baisse des échanges en minéraux vers la surface et en oxygène vers le fond  impact sur les écosystèmes. BILAN CARBONE

Quelques échelles de temps… Élévation du niveau des océans due à la fonte des glaces Élévation du niveau des océans due à la dilatation de l’eau de mer Température moyenne Concentration en CO2 Hypothèse de travail: courbe 1 = début de la décroissance des émissions à horizon 100 ans Différentes périodes de réponse selon les inerties et selon la sollicitation : la température ne commence à se stabiliser qu’après quelques siècles, le niveau des océans qui dépend de la température a besoin de plus de temps… Au bout de 1000 ans, le système n’est toujours pas stabilisé alors que la perturbation a quasiment cessé. Hypothèse : évolution des émissions de CO2 L’arrêt des perturbations n’est pas immédiat après la stabilisation de la concentration en CO2, notamment à cause de la « durée de vie » de ce dernier dans l ’atmosphère (Source : Climate Change 2001, the scientific Basis, GIEC) BILAN CARBONE

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