La Fondation de la Terre et du Système Climatique

L'équilibre énergétique de la Terre et du climat de 2019 est le principe fondamental qui régit notre planète et le climat de 2019. Il décrit l'équilibre entre le rayonnement solaire entrant et le rayonnement thermique sortant. Lorsque cet équilibre est perturbé, le système climatique réagit et les principaux agents de perturbation sont les gaz à effet de serre. Ces gaz absorbent et réémettent le rayonnement infrarouge, piégeant efficacement la chaleur dans la basse atmosphère.

Sans gaz à effet de serre, la température moyenne de la surface de la Terre et du bois de construction oscillerait autour de -18°C (0°F), un état gelé inhospitalier à la plupart des formes de vie. L'effet de serre naturel élève cette température à une température de vie de 15°C (59°F). Le problème est que les activités humaines ont épaissi la couverture atmosphérique des gaz à effet de serre, intensifiant l'effet naturel et poussant l'équilibre énergétique hors de son équilibre historique.

Le budget des rayonnements solaires

Pour apprécier le rôle des gaz à effet de serre, il faut d'abord comprendre le flux d'énergie à travers le système climatique. Le soleil émet des radiations à ondes courtes, principalement dans les spectres visible et ultraviolet. Des 340 watts par mètre carré (W/m²) qui atteignent le sommet de l'atmosphère en moyenne :

  • Environ 30% est réfléchi dans l'espace par les nuages, les aérosols et la surface de la Terre. Cette fraction est connue sous le nom d'albédo planétaire.
  • Les 70% restants sont absorbés par l'atmosphère (environ 23%) et par la surface (environ 47%).

La Terre, beaucoup plus froide que le soleil, émet de l'énergie comme rayonnement infrarouge à ondes longues. C'est ce rayonnement sortant à ondes longues (OLR) que les gaz à effet de serre interceptent. En absorbant et en re-radionant l'énergie infrarouge vers la surface, les gaz à effet de serre réduisent le taux net de refroidissement vers l'espace, réchauffant efficacement la basse atmosphère et la surface.

Principaux gaz à effet de serre et leurs sources

Tous les gaz à effet de serre ne sont pas créés de façon égale, mais diffèrent en termes de concentration atmosphérique, de durée de vie, d'efficacité du piégeage de la chaleur et de profils de source.Les gaz à effet de serre les plus importants à long terme dans la Terre et le x2019; l'atmosphère est le dioxyde de carbone (CO et#x2082;), le méthane (CH et#x2084;) et l'oxyde nitreux (N et#x2082;O). Bien que la vapeur d'eau (H et#x2082;O) soit le gaz à effet de serre le plus abondant, sa concentration dans l'atmosphère est principalement contrôlée par la température plutôt que par les émissions directes, ce qui en fait un agent de rétroaction plutôt qu'un forçage direct.

Dioxyde de carbone (CO₂)

Le dioxyde de carbone est le gaz à effet de serre à longue durée de vie le plus important émis directement par les activités humaines. Il est le gaz de référence sur lequel sont mesurés les autres gaz à effet de serre en utilisant la mesure du potentiel de réchauffement planétaire (PRG).

Les principales sources sont les suivantes :

  • La combustion de combustibles fossiles: Le charbon, le pétrole et le gaz naturel brûlés pour la production d'électricité, le transport, le chauffage et les procédés industriels représentent environ 65 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre.La combustion de combustibles fossiles libère du carbone qui a été verrouillé sous terre pendant des millions d'années, l'ajout rapide au cycle actif du carbone.
  • Déboisement et changement d'affectation des terres :[ Les forêts agissent comme puits de carbone. Lorsqu'elles sont nettoyées pour l'agriculture, le développement urbain ou le bois, non seulement le carbone stocké dans les arbres rejetés (par décomposition ou par combustion), mais la terre et le bois d'oeuvre, et la capacité d'absorption future du CO et du bois d'oeuvre, sont également réduits.
  • Procédés industriels : Production de ciment, fabrication de produits chimiques et fabrication d'acier libèrent du CO₂ comme sous-produit de réactions chimiques, et non seulement de l'utilisation de l'énergie.

Les concentrations atmosphériques de CO₂ sont passées d'environ 280 parties par million (ppm) à l'époque préindustrielle (environ 1750) à plus de 420 ppm aujourd'hui, niveau qui n'a pas été observé depuis au moins 2 millions d'années.

Méthane (CH₄)

Le méthane est le deuxième gaz à effet de serre anthropique le plus abondant et a un potentiel de réchauffement planétaire environ 28-34 fois celui du CO₂ sur une période de 100 ans. Au cours d'une période de 20 ans, son PRG est environ 84-87 fois plus élevé que celui du CO₂ il en fait un agent de réchauffement à court terme particulièrement puissant.

Les principales sources sont les suivantes :

  • Agriculture: La fermentation entérique chez les ruminants (bovins, ovins, caprins) est la principale source d'émissions de méthane dans le monde.
  • Production et transport de combustibles fossiles:[ Les fuites de méthane provenant des puits de pétrole et de gaz, des pipelines et des mines de charbon.Le gaz naturel est principalement composé de méthane, et les émissions fugitives pendant l'extraction et la distribution représentent une énergie gaspillée et un puissant polluant climatique.
  • Gestion des déchets: Les décharges produisent du méthane lorsque les déchets organiques se décomposent anaérobiement.

Les concentrations de méthane dans l'atmosphère ont plus que doublé par rapport aux niveaux préindustriels, atteignant environ 1 900 parties par milliard (ppb) ces dernières années. Le taux d'augmentation s'est accéléré depuis 2007, en raison de la croissance des sources de combustibles fossiles et des zones humides tropicales.

Oxyde nitreux (N₂O)

L'oxyde nitreux est un gaz à effet de serre puissant qui a un potentiel de réchauffement planétaire environ 298 fois plus élevé que celui du CO₂ sur une période de 100 ans. Il appauvrit également l'ozone stratosphérique.

Les principales sources sont les suivantes :

  • Agriculture:[ L'utilisation d'engrais azotés synthétiques dans la production végétale est la principale source d'émissions anthropiques de N₂O. Les microbes du sol convertissent l'azote des engrais en N₂O par des procédés appelés nitrification et dénitrification. La gestion du fumier est une autre source agricole importante.
  • Procédés industriels: La production d'acide adipique (utilisée dans la fabrication de nylon) et la production d'acide nitrique (utilisée pour les engrais) libèrent N₂O comme sous-produit.
  • Combustion: La combustion de combustibles fossiles dans les véhicules et les centrales électriques libère de petites quantités de N₂O.

Les concentrations d'oxyde nitreux sont passées d'environ 270 ppb à plus de 330 ppb aujourd'hui, ce qui a été le cas en grande partie au cours des 50 dernières années, coïncidant avec l'intensification mondiale de l'agriculture.

Vaporisation et nuages d'eau

La vapeur d'eau est le gaz à effet de serre le plus abondant et représente la plus grande contribution à l'effet de serre naturel. Cependant, sa concentration dans l'atmosphère n'est pas directement contrôlée par les émissions humaines. Elle réagit plutôt à la température par la relation Clausius-Clapeyron : l'air chaud peut contenir plus d'humidité. Cela crée une puissante boucle de rétroaction positive. Comme CO₂ et d'autres gaz à effet de serre réchauffent l'atmosphère, les concentrations de vapeur d'eau augmentent, amplifient le réchauffement initial.

L'effet des gaz à effet de serre en plus grande précision

Les molécules de gaz à effet de serre et les molécules de ces gaz, dont les atomes sont au moins trois, comme le CO₂ le CH₄ le N₂ le O₂ le H₂ le O— les modes d'énergie vibratoire et rotationnelle qui peuvent absorber et émettre des photons à des longueurs d'onde spécifiques dans le spectre infrarouge. Les molécules diatomiques comme l'oxygène (O₂) et l'azote (N₂), qui constituent 99 % de l'atmosphère, n'absorbent pas le rayonnement infrarouge.

Le spectre d'absorption de l'atmosphère

L'atmosphère de la Terre et du Soleil 2019 est largement transparente au rayonnement solaire entrant, mais elle est partiellement opaque au rayonnement infrarouge sortant.

  • La vapeur d'eau absorbe une large gamme de spectre infrarouge, à partir d'environ 5-8 micromètres (μm) et au-dessus de 15 μm.
  • Le dioxyde de carbone a une bande d'absorption forte centrée autour de 15 μm, une région critique dans le spectre d'émission infrarouge de la Terre.
  • Le méthane absorbe environ 7,7 et#x3BC;m et dans plusieurs autres bandes étroites.
  • L'oxyde nitreux absorbe 7,8 μm et 17 μm.

À mesure que les concentrations de CO₂ augmentent, la bande d'absorption à 15 μm devient de plus en plus saturée dans la basse troposphère, ce qui signifie que le rayonnement émis par la surface est absorbé à une distance plus courte, ce qui déplace la hauteur d'émission effective vers des niveaux plus élevés et plus froids de l'atmosphère.

Le GIEC[ fournit des évaluations de ces mécanismes faisant autorité. Le Sixième rapport d'évaluation quantifie le forçage radiatif efficace du CO₂ depuis 1750, à environ 2,2 W/m² (relatif au forçage préindustriel), le forçage anthropique total atteignant environ 2,7 W/m².

Forting radiatif et sensibilité au climat

Le forçage radiatif mesure le déséquilibre dans la Terre et le x2019; le budget énergétique causé par un changement dans un moteur climatique, comme le CO et le x 2082; la concentration. Il est exprimé en watts par mètre carré. Un forçage positif réchauffe le système; un forçage négatif le refroidit. La relation entre le CO et le x 2082; la concentration et le forçage radiatif est logarithmique : chaque doublement du CO et du x 2082; provoque à peu près la même quantité de forçage (environ 3,7 à 4,0 W/m et le x B2); cela signifie que le forçage passe de 280 à 560 ppm, ce qui donne un forçage semblable à celui qui passe de 560 à 1 120 ppm.

La sensibilité au climat quantifie la température moyenne de la surface du globe qui finit par se réchauffer en réponse à un forçage radiatif donné. La sensibilité au climat d'équilibre (SCE) est le réchauffement à long terme en réponse au doublement du CO₂ Le GIEC estime que le SCE à haute confiance se situe entre 2,5°C et 4°C, avec une meilleure estimation d'environ 3°C. Cela signifie que si le CO₂ les concentrations se stabilisent au double du niveau préindustriel, la planète finira par se réchauffer d'environ 3°C, même sans tenir compte d'autres forçages anthropiques.

Impacts observés sur le système climatique

L'intensification de l'effet de serre n'est pas une abstraction théorique. Ses empreintes digitales sont visibles sur chaque composante du système climatique, de l'océan profond à la haute atmosphère.

Réchauffement de surface et troposphérique

La température moyenne mondiale a augmenté d'environ 1,2°C depuis la fin du XIXe siècle, la majorité de ce réchauffement ayant eu lieu au cours des 50 dernières années. La dernière décennie (2011-2020) a été d'environ 1,1°C plus chaude que la période préindustrielle. Fait important, ce réchauffement n'est pas uniforme. L'Arctique se réchauffe à deux ou quatre fois la moyenne mondiale, phénomène connu sous le nom d'amplification arctique, alimenté par des rétroactions impliquant la perte de glace de mer, la réduction du couvert neigeux et les changements dans le transport de chaleur atmosphérique.

Augmentation du niveau de la mer

Le niveau moyen mondial de la mer a augmenté d'environ 20-25 centimètres depuis 1900, avec un taux de hausse d'environ 1,5 mm/an au début du XXe siècle à plus de 3,5 mm/an aujourd'hui.Cette hausse est motivée par deux facteurs principaux : l'expansion thermique (l'eau océanique s'étend au moment où elle se réchauffe) et la fonte des glaciers et des calottes glaciaires.Le Groenland et l'Antarctique perdent de la glace à un rythme accéléré.

Événements extrêmes et science d'attribution

Les températures plus élevées de la surface de la mer alimentent des cyclones tropicaux plus puissants. Les vagues de chaleur deviennent plus fréquentes, plus longues et plus intenses. L'attribution des événements a progressé de façon significative, permettant aux scientifiques de quantifier l'ampleur des changements climatiques qui modifient la probabilité et la gravité de certains événements. Par exemple, les chercheurs ont constaté que la vague de chaleur européenne de 2003 était au moins deux fois plus probable du fait des changements climatiques causés par l'homme. Cette science de l'attribution établit un lien clair entre les émissions de gaz à effet de serre et les risques auxquels sont exposées les communautés du monde entier.

Acidification des océans

Cet impact est souvent considéré en même temps que l'effet de serre parce qu'il partage la même cause racine : l'élévation du CO₂. L'océan absorbe environ 25 à 30% du CO₂ libéré par les activités humaines. Lorsque le CO₂ se dissout dans l'eau de mer, il forme de l'acide carbonique, abaissant le pH de l'océan. Le pH de surface de l'océan a déjà diminué d'environ 0,1 unité depuis la révolution industrielle, ce qui représente une augmentation de 30% de l'acidité.

Les boucles de rétroaction dans le système climatique

Les boucles de rétroaction sont des processus internes qui amplifient (rétroaction positive) ou étouffent (rétroaction négative) le changement initial dans le système climatique. La présence de rétroactions positives fortes rend le système climatique sensible aux petits forçages initiaux.

Les commentaires de l'albédo glacé

Alors que la glace reflète environ 50 à 70 % de la lumière du soleil, l'océan libre ne reflète que 6 % environ. Cette réduction de l'albédo fait absorber davantage d'énergie solaire, ce qui entraîne un réchauffement et une fonte plus importants.

La rétroaction sur le carbone du pergélisol

Le pergélisol arctique stocke de grandes quantités de carbone organique (environ 1 500 milliards de tonnes métriques) qui ont été congelées pendant des milliers d'années. Au moment où le pergélisol dégele, les microbes commencent à décomposer cette matière organique, en libérant du CO₂ et du CH₄ dans l'atmosphère. Ce processus crée une autre rétroaction positive, car les gaz à effet de serre rejetés provoquent un réchauffement supplémentaire et un déglaçage supplémentaire du pergélisol. L'ampleur de cette rétroaction demeure une incertitude majeure dans les projections climatiques, mais le GIEC estime qu'elle pourrait ajouter 0,1 à 0,2°C d'un réchauffement supplémentaire de 2100 dans le cadre de scénarios à forte émission.

La vapeur d'eau Rétroaction

Comme nous l'avons déjà mentionné, une atmosphère plus chaude renferme plus de vapeur d'eau, qui est elle-même un gaz à effet de serre. Il s'agit de la rétroaction positive la plus forte du système climatique, qui doublerait à peu près le réchauffement qui se produirait à partir du CO₂ seule. Cette rétroaction est bien comprise et est explicitement représentée dans les modèles climatiques.

Voies et défis d'atténuation

Pour remédier au déséquilibre de la balance énergétique de la Terre et du Pacifique en 2019, il faut réduire les émissions nettes de gaz à effet de serre à zéro. C'est l'objectif central de la politique climatique internationale dans le cadre de l'Accord de Paris , qui vise à limiter le réchauffement de la planète à un niveau bien inférieur à 2°C et de préférence à 1,5°C au-dessus des niveaux préindustriels.

Décarbonisation profonde du système énergétique

Le secteur de l'énergie est responsable de la majorité des émissions mondiales.

  • Déploiement énergétique renouvelable: L'énergie solaire et éolienne a connu une baisse spectaculaire des coûts au cours de la dernière décennie et sont maintenant les sources de nouvelles sources d'électricité les moins chères dans de nombreuses régions du monde.
  • Électrification:[ Le passage de la combustion de combustibles fossiles à l'électricité dans le transport (véhicules électriques), le chauffage des bâtiments (pompes à chaleur) et les procédés industriels peuvent réduire considérablement les émissions, à condition que l'électricité provient de sources à faible teneur en carbone.
  • Efficacité énergétique:[ Réduire les déchets par des bâtiments, des appareils, des procédés industriels et des systèmes de transport efficaces réduit la demande énergétique globale et rend la décarbonisation plus facile et moins coûteuse.

Réduction du méthane

L'Agence internationale de l'énergie estime qu'environ 40 % des émissions actuelles de méthane provenant des opérations de combustibles fossiles peuvent être réduites sans coût net, à l'aide des technologies existantes. Le Pliage mondial de méthane, lancé à la COP26, engage plus de 150 pays à réduire leurs émissions de méthane de 30 % par rapport aux niveaux de 2020 d'ici 2030.

Solutions terrestres

Les écosystèmes terrestres absorbent actuellement environ 25 à 30 % du CO₂ anthropique; les émissions.

  • Reboisement et boisement:[ La restauration des forêts dégradées et la plantation de nouvelles forêts peuvent séquestrer des quantités importantes de carbone.
  • Amélioration de la gestion des sols:[ Les pratiques agricoles telles que l'agriculture sans labour, la culture de couverture et l'ajout de biochar peuvent accroître la teneur en carbone organique des sols, améliorant la santé des sols tout en stockant du carbone.
  • Réhabilitation des terres humides: Les tourbières stockent de grandes quantités de carbone. La restauration des tourbières drainées empêche d'autres émissions et peut les transformer en puits de carbone.

Élimination du dioxyde de carbone (DAC)

La plupart des voies climatiques conformes à l'Accord de Paris exigent une certaine forme d'élimination du dioxyde de carbone pour compenser les émissions résiduelles des secteurs difficiles à décarboner et, à long terme, pour réduire les émissions atmosphériques de CO₂ les concentrations en cas de dépassement; les méthodes de CDR comprennent la capture directe d'air (DAC) avec stockage géologique, la bioénergie avec captage et stockage du carbone (BECCS), l'amélioration des conditions météorologiques et l'amélioration de l'alcalinité des océans.

La voie à suivre

La physique de l'effet de serre est établie et la trajectoire des concentrations de gaz à effet de serre est bien mesurée. La Terre et le climat de 2019 sont de plus en plus positifs et le système climatique réagit avec des températures en hausse, des changements climatiques et des glaces de fonte.

Les réductions de méthane permettent un soulagement plus rapide, ralentissant le taux de réchauffement en quelques décennies. La fenêtre de limitation du réchauffement à 1,5°C se rétrécit rapidement, mais la faisabilité technique et économique de la décarbonisation profonde n'a jamais été aussi grande.Le défi est principalement de volonté politique, de coordination sociale et d'investissement à l'échelle. Comprendre le rôle des gaz à effet de serre dans la Terre’ l'équilibre énergétique n'est pas seulement un exercice académique; c'est le fondement sur lequel doit s'appuyer une politique climatique rationnelle.