L’effet de serre Gaz responsables de l’effet de serre Les aérosols

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1 L’effet de serre Gaz responsables de l’effet de serre Les aérosols
L’atmosphère joue un rôle essentiel dans la régulation du climat de la Terre. Sans l’effet de serre, la température moyenne de la surface de la planète serait inférieure d’environ 34°C. Nom commun Symbole Sources principales Dioxyde de carbone CO2 Combustion, Aménagement du territoire Vapeur d’eau H2O Évaporation de la surface Méthane (précurseur d’ozone) CH4 Élevage, Décharges Extraction du charbon et du pétrole Oxyde nitreux N2O Combustion biomasse Activités industrielles & agricoles Gaz industriels halogénés HFCs, PFCs, SF6, CFCs Produits exclusivement synthétisés en industrie Ozone O3 Réactions chimiques des précurseurs Oxydes d’azote * NOx Combustion Monoxyde de carbone * CO Combustion, Industries Déboisement Composés organiques volatils VOC Solvants Production, distribution et utilisation de carburants Ce sont des particules de très petites dimensions en suspension dans l’atmosphère. Les aérosols ont un rôle naturel essentiel dans la régulation du climat. Comme un parasol, leur effet est associé à une réduction de l’intensité solaire effective qui atteint le sol, ce qui contribue à refroidir la surface. Une réduction des émissions anthropiques d’aérosols (provenant surtout de la combustion) provoquerait un effet de réchauffement local. Contrairement à la plupart des GES, le temps de vie atmosphérique des aérosols est très court (quelques jours). L’effet exact des aérosols sur le climat demeure toutefois incertain en raison, notamment, du manque de données d’observation. Radiation solaire Radiation terrestre vers l’espace Radiation réémise vers l’espace Gaz à effet de serre Radiation réémise vers la surface Radiation terrestre absorbée Absorption par la surface 1 2 3 4 Les changements climatiques * Ces deux gaz ne sont pas des GES mais contribuent significativement aux réactions de l’ozone. Un forçage radiatif net positif a été induit par les hausses des concentrations des GES dans les deux derniers siècles. L’effet de serre naturel s’en trouve amplifié, ce qui augmente la température de surface. D’autres processus peuvent induire un forçage radiatif sur le climat (figure ci-dessous). Bien que leurs effets se fassent déjà ressentir, les changements climatiques seront un enjeu majeur tout au long du XXIe siècle. Équilibre des gaz à effet de serre 3) Une portion importante du rayonnement terrestre est absorbée par l’atmosphère; le reste s’échappe vers l’espace. 4) Le rayonnement absorbé par l’atmosphère est partiellement réémit vers la surface où il contribue, avec le Soleil, au rayonnement total absorbé. 1) L’atmosphère est essentiellement transparente au rayonnement solaire (lumière visible). La partie non réfléchie atteint ainsi le sol en étant que très peu absorbée par l’air. 2) La surface absorbe la majorité du rayonnement solaire qu’elle reçoit; elle réémet une partie de cette énergie sous forme de rayonnement terrestre infrarouge. Les gaz à effet de serre (GES) sont émis ou détruits naturellement par l’environnement de façon continue. Les concentrations atmosphériques sont stables dans la mesure où les deux processus s’équilibrent. Depuis la révolution industrielle, cet équilibre a été rompu et les concentrations de GES ont augmenté, amplifiant l’effet de serre naturel. GIEC, Résumé à l’intention des décideurs, Bilan 2001 des changements climatiques : Les éléments scientifiques Forçage radiatif moyen global du système climatique en l’an 2000 par rapport à 1750 Niveau des connaissances scientifiques Forçage radiatif (Watts par mètre carré) Réchauffement Refroidissement Gaz halocarbonés N2O CH4 CO2 3 2 1 -1 -2 Ozone stratosphérique Sulfates Ozone troposphérique Carbone noir résultant de la combustion de combustibles fossiles Aérosols Poussières minérales Combustion de la biomasse Carbones organiques résultant de la combustion de combustibles fossiles Traînées de condensation / Cirrus Liés à l’aviation Effet indirect des aérosols Utilisation des sols (effet du seul l’albédo) Rayonnement solaire Élevé Moyen Faible Très faible GIEC, Résumé à l’intention des décideurs, Bilan 2001 des changements climatiques : Les éléments scientifiques 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 Début de l’ère industrielle 200 100 SO2 1750 1250 750 CH4 (ppb) 380 360 340 320 300 280 260 CO2 (ppm) 310 290 270 250 N2O Les gaz responsables de l’absorption de l’énergie émise par la surface sont appelés gaz à effet de serre (GES). L’effet de serre est un mécanisme absolument naturel et nécessaire au maintien de la vie sur Terre. Les principaux GES naturels sont la vapeur d’eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2). L’efficacité d’un gaz comme agent à effet de serre peut être quantifiée en terme de forçage radiatif, défini comme la réduction dans le flux net d’énergie s’échappant vers l’espace pour un changement donné de concentration du gaz concerné. Conception & Réalisation Réseau canadien de modélisation régionale du climat P.-Y. Trépanier, P. Martineu, R. Laprise & C. Chartrand

2 Scénarios d’émissions
Qu’est-ce qu’un scénario? Influence de la population C’est une représentation de l’évolution future de la société qui tient compte d’hypothèses plausibles et cohérentes basées sur les facteurs déterminants. Les hypothèses sur lesquelles reposent les scénarios sont autant d’ordre quantitatif (croissance de la population, variation du PIB, etc.) que qualitatif (valeurs sociales, politiques gouvernementales), les deux étant également nécessaires pour construire une projection réaliste. Un scénario est le mariage entre modèles numériques et énoncés directeurs : GIEC 2001 Rapport spécial, chapitre 4 Pas de convergence démographique Développement économique et technologique plus lent et plus hétérogène entre les régions Croissance économique rapide Population qui se stabilise Pénétration rapide de technologies efficaces Convergence entre les régions Divisée en sous-groupes distincts par le type de source d’énergie dominante: fossile (A1FI), renouvelable (A1T) ou équilibré (A1B) Semblable à A1 Forte croissance du secteur tertiaire (services) Réduction de la consommation de matière première Technologies plus propres et plus efficaces Croissance démographique continue mais plus modérée que pour A2 Développements modérés, mais variés répondant au besoins locaux et régionaux Économique Environnemental Global Énergie Technologie Économie Population Usage des sols Agriculture A1 A2 B1 B2 Régional Parmi tous les facteurs qui influent les émissions, la croissance démographique est de loin le plus déterminant. GIEC 2001, Rapport spécial, chapitre 4 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 1990 1995 2000 2050 2100 Pays industrialisés A2 (IIASA) B2 (UN) B1, A1 (IIASA) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 Population mondiale (milliards) 1900 1950 Monde Point de départ des projections (1990) Modèles Énoncés Scénarios Quantitatif Qualitatif GIEC 2001, Rapport spécial, chapitre 1 Un scénario d’émissions représente un futur possible concernant les émissions de substances relativement actives (gaz à effet de serre, aérosols). Aucune probabilité ne doit être associée à un scénario donné, aucun scénario n’étant plus ou moins probable qu’un autre. Les scénarios sont nombreux pour rendre compte de cette incertitude. Rôle des pays émergents Quelques projections pour les scénarios représentatifs de chaque famille: De façon générale, il est projeté que les développements futurs dans les pays industrialisés se fassent de façon plutôt modeste, comme c’est le cas dans les projections de population (ci-dessus). Les plus grandes incertitudes sur les développements à venir reposent sur les pays en voie de développement, et particulièrement ceux de la région asiatique qui connaissent actuellement un taux de développement très rapide. Ces incertitudes reposent notamment sur les choix technologiques et le poids démographique de ces pays émergents. Le rapport spécial sur les scénarios d’émissions du GIEC propose 40 scénarios répartis en quatre familles (schéma ci-dessous). Les facteurs retenus pour décrire le développement futur influencent de plusieurs façons les émissions de substances radiativement actives. GIEC, Résumé à l’intention des décideurs, Bilan 2001 des changements climatiques : Les éléments scientifiques 340 ppm 970 ppm 540 ppm 25 20 15 10 5 2000 2020 2040 2060 2080 2100 Émissions de CO2 (Gt/an) Concentration de CO2 (ppm) 300 500 700 900 1100 1300 A1B A1T A1F1 A2 B1 B2 IS92a Scénarios 150 100 50 Émissions de SO2 (Mt/an) Conception & Réalisation Réseau canadien de modélisation régionale du climat P.-Y. Trépanier, P. Martineu, R. Laprise & C. Chartrand

3 Les modèles climatiques Évolution des modèles climatiques
Approche numérique Structure d’un modèle Un modèle climatique est conduit par deux composantes bien distinctes : Dynamique Le noyau dynamique prend en charge la solution des équations de la mécanique des fluides sur la maille de calcul. Physique (paramétrique) Les processus sous-échelle, c'est à dire de trop fine échelle pour la résolution du modèle, doivent être paramétrés empiriquement en fonction des variables résolues par le noyau dynamique. Exemples : nuages, convection, turbulence, etc. Les équations qui gouvernent le climat sont trop complexes pour être résolues algébriquement. Des super-ordinateurs sont utilisés pour solutionner ces équations par approximations numériques. L'atmosphère est ainsi représentée par une grille en 3 dimensions contenant un nombre fini de points. Lors d’une simulation, l'évolution dans le temps des variables telles les vents, la température, la pression et l’humidité, sont calculées en chacun des points de la grille à des intervalles de temps réguliers. La quantification des changements appréhendés dans le climat futur est nécessaire afin d’élaborer des stratégies d’adaptation adéquates pour réduire les risques connexes. Puisque les expériences in situ ou en laboratoire sur le climat ne sont pas possibles, la modélisation demeure la seule approche pour quantifier l’effet d’une hausse des concentrations des GES dans l’atmosphère.. Modèle climatique Représentation virtuelle du système climatique planétaire en 3D et dans le temps basée sur les lois de la physique fondamentale. Le système climatique terrestre comporte plusieurs composantes interdépendantes qu’il importe de considérer dans une simulation. Les modèles actuels gagnent en complexité en couplant de plus en plus de composantes (figure ci-dessous) pour tenir compte des multiples interactions. Importance de la résolution La résolution est liée au nombre de points sur la grille qui représentent le globe. Meilleure est la résolution, meilleure est la représentation du climat. L’augmentation de la résolution se fait toutefois au prix d’une hausse des temps de calcul. En conséquence les modèles mondiaux du climat (GCM) n’ont qu’une résolution très limitée. Incertitudes Les modèles ne sont pas parfaits, aussi d’importantes incertitudes leur sont associées. Ces incertitudes proviennent notamment de : Approximation et idéalisation des lois physiques Qualité du couplage entre les composantes Formulation numérique et support informatique Résolution Évolution des modèles climatiques Images fournies par Daniel Caya Le Québec vu par un GCM Le Québec vu par un MRC Dans le contexte de l'adaptation aux changements climatiques, la quantification des processus régionaux et locaux est requise. Les modèles à faible résolution (GCM) fournissent des résultats qui sont valides à leur échelle, mais deviennent inadéquats pour le traitement des processus régionaux et locaux. Les modèles régionaux du climat (MRC) sont une façon d’augmenter la résolution. Ils fonctionnent essentiellement comme un modèle mondial à quelques exceptions : Le domaine est limité à la région d’intérêt, ce qui permet d’augmenter la résolution et de mieux traiter les processus de sous échelle. Le MRC est alimenté à ses frontières par les données d’un GCM (pour des projections de changement climatique) ou par des observations (pour une validation). GIEC, Résumé à l’intention des décideurs, Bilan 2001 des changements climatiques : Les éléments scientifiques Conception & Réalisation Réseau canadien de modélisation régionale du climat P.-Y. Trépanier, P. Martineu, R. Laprise & C. Chartrand