CANAL-U

Texte de la 583 e conférence de l'Université de tous les savoirs

prononcée le 5 juillet 2005

Par Jean Jouzel: « Physique et climat »

Depuis quelques siècles, les activités humaines modifient de façon sensible la composition de l'atmosphère : l'utilisation des combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) est largement responsable de l'augmentation de la concentration en gaz carbonique depuis le début de l'ère industrielle (augmentation de 30 % depuis 1850) et, sur cette même période, les concentrations en méthane ont plus que doublé. Bien qu'il s'agisse là de constituants mineurs de l'atmosphère, de tels changements sont susceptibles de modifier notre climat car ils conduisent à une augmentation de l'effet de serre atmosphérique.

Notre communauté scientifique est désormais de plus en plus convaincue que le réchauffement observé au cours des dernières décennies est, au moins pour partie, lié à cette modification. Elle affirme, qu'à défaut de mesures efficaces visant à maîtriser les émissions de ces gaz à effet de serre, le réchauffement lié aux activités humaines va s'accentuer d'ici la fin du siècle et au-delà. Quelles sont les certitudes des scientifiques dans ce domaine du réchauffement climatique ? Quelles incertitudes subsistent ? En quoi l'étude du climat passé est-elle pertinente vis à vis de son évolution future ? Ce sont les principaux points que j'aborde dans ce texte en mettant l'accent, en cette Année Mondiale de la Physique, sur le rôle central de la physique, et du physicien, dans cette connaissance de plus en plus fine de l'évolution passée et future de notre climat.

Rappelons rapidement ce qu'est l'effet de serre, et là nous là nous sommes de plain-pied dans le domaine de la physique. Bien qu'elle soit très mince notre atmosphère joue un rôle essentiel dans le bilan énergétique de notre Planète. Elle laisse entrer une grande partie du rayonnement solaire mais, comme la longueur d'onde de ce dernier est modifiée losqu'il est réfléchi à la surface, l'atmosphère absorbe une part importante de ce rayonnement réfléchi. Cette capacité d'absorption n'existerait pas si l'air qui nous entoure n'était composé que des ses éléments principaux - azote, oxygène, argon. Elle est liée aux propriétés optiques de composants plus complexes, formés d'au moins 3 molécules, au premier rang desquels la vapeur d'eau (H20), puis le gaz carbonique (CO2), le méthane (CH4), l'oxyde nitreux N20, l'ozone, 03. S'y ajoute tout un ensemble de molécules plus complexes dont celles telles les chlorofluorocarbures utilisées, entre autres, dans les systèmes de climatisation et de réfrigération.

Sauf ces dernières molécules tous les composés de cette liste sont présents naturellement dans l'atmosphère. En l'absence de ces composés, en premier lieu de la vapeur d'eau et du gaz carbonique qui, ensemble, contribuent à plus de 95% de l'effet de serre naturel, la température moyenne de la surface de la Terre serait proche de -18 °C. Grâce à l'effet de serre, nous bénéficions de conditions heureusement plus clémentes, avec une température moyenne proche de 15°C. Ce n'est donc pas l'effet de serre qui inquiète mais son augmentation. L'accroissement des concentrations des gaz à effet de serre liés aux activités humaines a, depuis le début de l'ère industrielle, augmenté l'énergie moyenne utilisable pour chauffer les bases couches de la planète de près de 2,5 W.m-2 (celle-ci est voisine de 240 W.m-2). Suivant le comportement de nos sociétés, de 2 à 6 W.m-2 supplémentaires risquent de s'y ajouter d'ici la fin du siècle.

Une relation étroite entre climat et effet de serre depuis 420 000 ans

La connaissance que nous avons du climat du passé s'appuie sur différentes méthodes complémentaires. Géomorphologie, croissance des anneaux d'arbres, lacs et sédiments lacustres, séries polliniques..., dans les régions continentales. Coraux et sédiments marins dans l'océan. Forages profonds en Antarctique et au Groenland. Ainsi l'étude des pollens renseigne sur les températures et les précipitations dans les régions continentales. Celle des sédiments marins indique les variations du niveau des mers ainsi que celles des températures et de la circulation océaniques.

Une des spécificités des glaces polaires est qu'elles permettent de reconstituer, à la fois, l'atmosphère du passé, à partir de l'analyse des bulles d'air piégées lors de la transformation de la neige en glace, et le climat à partir de leur composition isotopique. Les résultats obtenus sur le forage de Vostok qui, grâce à une carotte longue de plus de 3 km forée en Antarctique de l'Est, permet de couvrir les 420000 dernières années ont joué un rôle déterminant dans cette approche. Par ailleurs, le fait que ces carottes soient très longues (jusqu'à 3 km), autorise une haute résolution Les équipes françaises de Grenoble et de Saclay ont apporté une contribution importante à ces recherches conduites dans le cadre de collaborations avec des équipes russes et américaines en un site où le froid très intense (Vostok détient le record de la température de surface la plus basse jamais enregistrée, - 89,7°C, et sa moyenne annuelle est de -55 °C) a rendu les opérations de forage extrêmement difficiles. Mais après près de 30 années d'efforts, le succès a été au rendez-vous, avec l'obtention d'enregistrements de la température, paramètre déduit de l'analyse isotopique de la glace, et de la composition en gaz carbonique et en méthane tout au long des 4 dernières grandes glaciations (Cf. Figure 1).

figure 1

La concentration en gaz carbonique a augmenté de 40% pendant les déglaciations (de 200 à 280 ppmv, parties par million en volume par rapport à l'air) tandis que celle du méthane a pratiquement doublé (350 à 700 ppbv, parties par milliard en volume par rapport à l'air). L'explication de ces variations naturelles des concentrations de gaz carbonique et de méthane n'est pour l'instant que partielle mais on sait qu'elle met en jeu, dans chacun des cas, des interactions entre les paramètres physiques du climat et les cycles géochimiques liés au monde vivant. Pour le gaz carbonique, sont impliqués la circulation des océans et leur productivité ainsi que les interactions avec la biosphère continentale. Les variations du méthane proviennent essentiellement de l'impact du climat sur ses sources terrestres incluant zones marécageuses et peut-être sols gelés des hautes latitudes Nord. Des résultats récents indiquent que la teneur en N2O a également augmenté pendant la déglaciation, d'environ 30% (de ~ 200 à 260 ppbv). Quelles qu'en soient les causes, les variations naturelles des concentrations de ces trois composés, entraînent une augmentation de l'effet de serre d'un peu plus de 2 W.m-2, équivalente donc à celle liée à l'action de l'homme au cours des 200 dernières années.

Mais ce sont les astronomes qui sont en première ligne à ces échelles de temps. En effet, le rythme des grandes glaciations du quaternaire est gouverné par la position de la terre sur son orbite autour du soleil et l'on identifie facilement dans les enregistrements marins, continentaux ou glaciaires la présence de cycles liés au paramètres de cette orbite (excentricité, obliquité et précession) avec des périodicités proches de 100 000, 40000 et 20000 ans. Les résultats obtenus sur le forage de Vostok, pleinement confirmés par les analyses conduites sur d'autres forages profonds réalisés en Antarctique, indiquent que l'effet de serre a contribué à ces grands changements climatiques entre périodes glaciaires et interglaciaires en amplifiant le forçage astronomique. A travers ces mécanismes d'amplification sur lesquels nous reviendrons, il apparaît que l'effet de serre pourrait être responsable de près de la moitié du réchauffement, estimé à environ 5°C, qu'a connu notre Planète au moment des grandes déglaciations.

Les activités humaines modifient l'effet de serre de la Planète

L'analyse directe des concentrations en gaz carbonique, méthane et autres composés à effet de serre n'étant réalisée que depuis quelques décennies, c'est également l'analyse des bulles d'air piégées dans les glaces polaires qui permet de retracer l'augmentation qu'a connue l'effet de serre depuis environ 200 ans. Il s'agit d'une augmentation extrêmement rapide et, depuis 420000 ans, les concentrations des différents gaz concernés n'ont jamais été aussi élevées qu'elles le sont actuellement. Ainsi depuis 1750 la concentration atmosphérique en gaz carbonique est passée de 280 à 380 ppm et ce à cause d'émissions dues pour les trois-quarts à l'utilisation de combustibles fossiles, charbon, pétrole, gaz naturel, le reste étant imputable, pour l'essentiel, aux modifications de l'utilisation des sols et plus particulièrement au déboisement. On estime, qu'à lui seul, cet accroissement de la concentration en CO2 a entraîné une augmentation du piégeage d'énergie par l'atmosphère de près de 1,5 W.m-2 augmentant d'autant ce que, dans notre jargon, nous appelons le forçage radiatif de la Planète (cf. Figure 2).

figure 2

Au second rang se place le méthane, CH4, qui, sur la même période, a augmenté le forçage radiatif de 0,48 W.m-2 à cause d'un accroissement relatif important, de 0,7 à 1,76 ppm. Même si cet accroissement, voisin d'un ppm, est, en valeur absolue, près de 100 fois moins que celui observé pour le gaz carbonique, le forçage radiatif associé est relativement important car, à masse égale, le pouvoir absorbant du CH4 est 56 fois plus important que celui du CO2. L'exploitation des combustibles fossiles, l'intensification de l'agriculture (rizières) et de l'élevage (ruminants) sont à l'origine de cette augmentation du méthane dont les émissions naturelles proviennent largement des zones inondées. En outre, l'agriculture, à travers l'utilisation des engrais, ainsi que l'élevage, les feux de biomasse et les activités industrielles, ont contribué à l'accroissement de plus de 15% (de 0,270 à 0,32 ppm), de la concentration en N20. Cette augmentation correspond à 0,15 W.m-2 supplémentaire pour le forçage radiatif. Il faut également citer tout un ensemble de produits de l'activité humaine tels les hydrocarbures halogénés, composés carbonés contenant du fluor, du chlore, du brome ou de l'iode, connus pour être responsables de l'appauvrissement de la couche d'ozone dans la stratosphère (partie de l'atmosphère située entre 10 et 50 km d'altitude) et qui, à ce titre, sont réglementés par le Protocole de Montréal. Ces hydrocarbures participent également à l'effet de serre. Ils ont engendré un forçage radiatif de 0,34 W.m-2. S'y ajoute l'ozone, également gaz à effet de serre, dont le forçage a diminué dans la stratosphère de 0,15 W.m-2 en raison de l'appauvrissement mentionné ci-dessus, mais augmenté de 0,35 W.m-2 dans la troposphère (en-dessous de 10 km), largement à cause de l'accroissement de la pollution atmosphérique.

Depuis 200 ans, le gaz carbonique a donc joué pour près de 60 % dans l'augmentation de l'effet de serre et le méthane pour environ 20 %. Cette prédominance du gaz carbonique reste d'actualité. Ainsi, les chiffres sont un peu différents, mais restent du même ordre, si l'on considère les contributions d'un pays comme la France pour la période actuelle (Cf. Figure 3). En 2001, la contribution du CO2 y a été de 69% ; elle est suivie par celle du N2O (16%) puis du méthane (13%). Et, en fait, c'est largement à travers ces deux derniers composés que l'agriculture française contribue à l'effet de serre au point, lorsque l'on considère le secteur agriculture/sylviculture, de devenir avec le quart des émissions, le premier acteur sur le plan national. Viennent ensuite le transport routier, le résidentiel/tertiaire et l'industrie manufacturière avec pour chacun de ces secteurs une contribution de 21 %. Au-delà de ces chiffres, il est important de noter que le gaz carbonique, dont environ la moitié des 7 milliards de tonnes émis chaque année (GtC) est absorbée soit par la végétation soit par l'océan, a une longue durée de vie dans l'atmosphère (de l'ordre du siècle).

figure 3

En France

Pour compléter ce tableau, soulignons que les activités humaines sont à l'origine d'un forçage négatif (refroidissement) qui résulte de l'émission d'aérosols dont la pollution, liée à l'utilisation des combustibles fossiles, aux feux de biomasse..., est la principale source. Estimé à 0,5 W.m-2, ce forçage varie très fortement à l'échelle régionale en fonction des émissions. Les incertitudes sont beaucoup plus importantes que pour les composés gazeux et le deviennent encore plus lorsque l'on considère l'effet indirect de ces aérosols à travers leur influence sur les nuages. Ceci étant, l'augmentation de l'effet de serre, qui en tenant compte de l'ensemble des composés mentionnés ci-dessus est voisine de 2,6 W.m-2 , est bien le facteur dominant. C'est un chiffre à comparer à celui de 240 W.m-2 qui constitue la valeur de référence en terme de bilan énergétique de la Planète. Ce bilan a donc augmenté d'environ 1% depuis un peu plus de 200 ans et ce indéniablement à cause des activités humaines. Sur ce point le doute n'est pas permis.

Le climat se réchauffe

Le réchauffement planétaire, déjà sensible à la fin des années quatre-vingt, s'est affirmé au cours des 15 dernières années. En moyenne sur l'ensemble du globe, l'année 1998 a été l'année la plus chaude depuis 1861, année à partir de laquelle l'on considère que les données sont suffisantes pour établir une telle moyenne. D'après les données les plus récentes publiées par l'OMM, elle est suivie par 2002, 2003 puis 2004. En fait, hormis 1996, toutes les années depuis 1995 sont plus chaudes que n'importe quelle année depuis plus de 140 ans. A partir des données disponibles jusqu'à l'an 2000, les climatologues estiment que la température moyenne à la surface du globe a augmenté de six dixièmes de degré depuis la fin du 19ème siècle, avec une incertitude de deux dixièmes. Ce réchauffement s'est opéré en deux étapes la première entre 1910 et 1945, la seconde depuis 1976 période à partir de laquelle, il progresse à un rythme environ trois fois plus élevé que celui calculé sur l'ensemble du 20ème siècle (Cf. Figure 4).

figure 4

Neuf des dix dernières années ont été plus chaudes que toutes celles qui les ont précédées depuis 1860