QUE SAIS-JE ?

Le réchauffement climatique

ROBERT KANDEL

Directeur de recherche émérite au CNRS

Quatrième édition mise à jour

11e mille

978-2-13-061467-8

Dépôt légal – 1re édition : 2002

4e édition mise à jour : 2010, mai

© Presses Universitaires de France, 2002
6, avenue Reille, 75014 Paris

Introduction

I. – Le réchauffement climatique, le problème du XXIe siècle ?

Depuis une trentaine d’années, et de plus en plus souvent, le « réchauffement global » apparaît à la une des journaux, fait l’objet de reportages dans les magazines et de maints débats à la radio. Et lorsqu’on montre sur les écrans de télévision la désolation que laisse chaque catastrophe météorologique, on s’empresse d’accuser le réchauffement, comme s’il n’y avait pas eu de désastres autrefois. Mais qui peut sérieusement prétendre que le réchauffement – au demeurant bien réel – ait joué un rôle significatif dans l’histoire extraordinaire et terrible du XXe siècle ? La vie des gens a changé, non pas à cause du réchauffement, mais plutôt en fonction des nouvelles technologies de production industrielle, de transport, et de télécommunication, des progrès de la santé publique et de la médecine, du développement économique et des guerres.

Les scientifiques ont soulevé le problème avant 1900 et l’ont revu de plus en plus souvent à partir de 1972. Sur le plan de la diplomatie, si l’on a bien parlé du risque de réchauffement lors de la première conférence mondiale sur le climat à Genève en 1979, c’était pour conclure qu’il était encore trop tôt pour convoquer une réunion au niveau ministériel. Cela a changé à partir des années 1980, avec la signature de la convention-cadre de l’ONU sur le changement climatique lors du « sommet de la Terre » à Rio en 1992, la négociation du Protocole de Kyoto fin 1997, et les nombreuses réunions internationales qui ont suivi.

Sur le plan de l’histoire naturelle, l’environnement a subi de nombreux bouleversements au cours du XXe siècle, mais les changements climatiques ont été de peu de poids en comparaison de l’emprise accrue et directe des activités humaines sur l’environnement : croissance de la population humaine, déforestation tropicale et extension des surfaces consacrées à l’agriculture et à l’élevage, augmentation des populations de bovins et autres ruminants, grossissement démesuré des conurbations et des zones industrielles, intensification insoutenable de la pêche industrielle.

Les choses risquent de se passer autrement au XXIe siècle. Nous humains altérons la composition de l’atmosphère de la planète tout entière. Les gaz que nous ajoutons de plus en plus vite à l’atmosphère agissent, nous le savons, dans le sens d’un réchauffement de la surface du globe et des basses couches de l’atmosphère. Nous allons donc vers un réchauffement global. Cette mauvaise traduction du terme anglais global warming représente peut-être mieux que le terme anglais lui-même ce que nous craignons : globalement, un réchauffement à la surface de la Terre, même si, ici ou là, on peut s’attendre à un refroidissement.

Selon les projections du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat, établi par l’ONU en 1988 (GIEC ; en anglais, IPCC pour Intergovernmental Panel on Climate Change), l’augmentation de la température moyenne à la surface du globe, d’ici l’an 2100, va se situer entre 1 et 6 °C. Ces projections correspondent à différents scénarios d’émissions de gaz à effet de serre, et à des estimations du réchauffement pour ces scénarios à partir de différents modèles du climat. Pour les scénarios d’émissions modérées (fig. 1), elles se situent entre 1 et 4 °C. Or, un réchauffement de 4 °C ou plus serait de même grandeur que le réchauffement qui a mis fin à la dernière période glaciaire, changement qui a modifié radicalement la carte du monde. Mais, alors que le changement naturel a mis quelques millénaires à se faire, il s’agit maintenant d’un réchauffement du même ordre en un seul siècle : un véritable choc climatique.

Fig. 1. – Les projections du GIEC (2007) du réchauffement. ΔT (augmentation de la température moyenne à la surface du globe par rapport à la moyenne de la période 1980-1999), à gauche pour l’évolution de la composition atmosphérique observée au XXeS siècle, à droite pour trois scénarios A2, A1B, et B1 d’émissions progressivement modérées au cours du XXIesiècle ainsi que le scénario (déjà contredit par les faits) de composition atmosphérique constante à partir de l’an 2000. Les zones en grisé représentent les différences entre les simulations des différents modèles climatiques utilisés (une vingtaine) pour chaque scénario et chaque période. Pour de nombreux spécialistes, le seuil de 2 °C correspond à l’entrée dans une zone de changements climatiques dangereux

De quoi l’avenir sera-t-il fait ? Le cours réel de nos émissions de gaz à effet de serre dépendra de l’évolution des économies des pays aujourd’hui riches et des pays émergents, comme il dépendra des choix politiques et de l’essor de nouvelles technologies. Et il n’y a pas que le climat. Jusqu’où ira le SIDA, et quelles nouvelles maladies feront leur apparition ? Difficile à dire… Toutefois, si nous ne changeons pas de cap, si nous continuons à augmenter nos émissions de gaz à effet de serre, l’altération anthropique de l’atmosphère dominera de plus en plus les variations naturelles. Relayée par les réactions de la nature, cette altération risque de nous entraîner vers un changement climatique de grande ampleur d’ici l’an 2100. Ce sera là le grand problème auquel nous, nos enfants, et nos petits-enfants, auront à faire face au cours de ce XXIe siècle.

II. – Réalités et risques

Les uns crient à la catastrophe planétaire si nous persévérons dans nos modes de vie et de production, les autres à la catastrophe économique si nous cherchons tant soit peu à les modifier. Qui faut-il croire ? Nous pouvons dégager un certain nombre de réalités, de faits bien établis, nous pouvons identifier de multiples risques réels, risques qui s’échelonnent de la quasi-certitude à la fantasmagorie catastrophiste et au cauchemar. Il ne s’agit pas d’un exercice purement spéculatif, car nous savons que nos actions affectent déjà la planète dans son ensemble, et que nos choix d’agir (ou de ne pas agir) au cours des prochaines années vont en partie façonner notre avenir. Nous restons entourés d’incertitudes, et nous ne pourrons guère espérer les éliminer toutes, même si nous pouvons compter sur de fortes avancées dans nos connaissances. Il faut néanmoins donner un contenu concret à ce qui est appelé le « principe de précaution », peser le certain, le probable, et l’improbable, savoir rejeter les fantasmes sans pour autant écarter l’éventualité improbable mais totalement inacceptable.

1. La transformation de l’atmosphère. – Dans la première partie de cet ouvrage, nous exposerons la réalité de la transformation de l’atmosphère planétaire par les actions humaines depuis l’avènement de l’ère industrielle, et nous décrirons comment cette transformation diffère des variations naturelles du passé. Nous enquêterons sur les risques d’une transformation plus importante de l’atmosphère au cours du XXIe siècle. Nous savons aujourd’hui que les activités humaines enrichissent l’atmosphère en plusieurs gaz à effet de serre, non seulement le gaz carbonique (CO₂), mais aussi le méthane (CH₄), et bien d’autres. Mais nos modifications de l’atmosphère ne se limitent pas à cet enrichissement. Différentes formes de pollution modifient la quantité et la répartition de particules solides et liquides en suspension dans l’atmosphère (les aérosols), affectant directement et indirectement la disposition de l’énergie solaire entre l’atmosphère et la surface de la planète, agissant ici et là, mais pas partout, dans le sens d’un refroidissement de la surface par intensification de ce que j’appelle l’effet parasol. Une stabilisation avant l’an 2100 de la quantité de gaz à effet de serre dans l’atmosphère paraît improbable mais non impossible. En revanche, on peut facilement imaginer – et réaliser – une réduction de la quantité d’aérosols anthropiques dans l’atmosphère, où par anthropique (par opposition au naturel), on désigne tout ce qui découle directement ou indirectement des activités humaines.

2. L’atmosphère contrôle le climat. – Nous avons évoqué l’effet de serre et l’effet parasol, encore faut-il les définir. Dans la deuxième partie de cet ouvrage nous développerons ces concepts, qui se réfèrent à une représentation schématisée des processus qui gouvernent le climat. Nous savons que le Soleil chauffe la Terre, et que toute variation significative du Soleil peut et doit changer le climat. Cependant, l’atmosphère, par l’effet parasol, détermine quelle fraction de l’irradiation solaire est transformée en chaleur et, par l’effet de serre, contrôle comment ce flux de chaleur s’évade de la planète vers l’espace sous forme de rayonnement infrarouge thermique. Un modèle très simple (à dimension zéro !) du système climatique permet d’identifier les facteurs externes de contrôle du climat, et de définir les termes de forçage du changement, forçages aussi bien naturels qu’anthropiques, directs qu’indirects. On ne saurait cependant se satisfaire de ce schéma caricatural où ne figurent que les flux énergétiques en moyenne globale. Il faut commencer par introduire le cycle de l’eau, aspect essentiel des climats, et considérer ce que l’on appelle, encore en simplifiant, les rétroactions. Il faut aussi reconnaître que le système climatique possède une variabilité interne, indépendante des forçages externes. Cette variabilité résulte en grande partie des couplages imparfaits et non synchrones entre l’atmosphère et les autres composants du système climatique, surtout l’hydrosphère (océans et autres masses d’eau liquide) et la cryosphère (glace et neige), et de la répartition dissymétrique de continents sur le globe inégalement éclairé. Ce n’est que depuis la révolution du calcul numérique qu’on peut sérieusement essayer de calculer l’évolution dans le temps de ce système complexe à trois dimensions.

3. Le climat se réchauffe et se réchauffera. – Dans la troisième partie, nous aborderons la climatologie au sens classique, à savoir les observations qui permettent de définir les climats et de détecter les changements climatiques. Malgré les nombreuses difficultés – lacunes dans les observations historiques, en particulier dans la couverture du globe et avant le XXe siècle, évolution des techniques de mesure, perturbations par des phénomènes locaux –, la réalité du réchauffement depuis la fin du XIXe siècle paraît bien établie. Ce réchauffement, quoique faible comparé aux alternances entre périodes glaciaires et interglaciaires, semble bien se démarquer des variations du dernier millénaire. Pour les autres aspects du climat, précipitations, fréquence de tempêtes violentes ou de sécheresses prolongées, des variations importantes existent à différentes échelles d’espace et de temps, mais les données et le recul manquent, et de toute façon on ne peut guère en tirer une évolution globale. Pour bien comprendre le fonctionnement du système climatique d’aujourd’hui, pour tenter de prédire son évolution en réponse aux forçages actuels et futurs de changement, il faut non seulement mieux calculer, mais aussi améliorer et compléter les observations de tous les composants du système, sur toute la surface du globe, en faisant largement appel à l’observation spatiale de l’atmosphère et de la surface, comme au sondage des profondeurs de la mer. Les outils (plates-formes d’observation spatiale, réseaux de bouées équipées d’instruments scientifiques) véritablement adéquats n’existent pas encore au complet, et, en ce sens, la climatologie observationnelle se décline surtout au futur. Mais en même temps, la paléoclimatologie avance à grands pas, et cet affinement de nos connaissances des climats passés, parfois radicalement différents du climat présent, et de changements climatiques plus ou moins rapides, met à l’épreuve de la vérité les modèles climatiques et les simulations de changement climatique en réponse à tel ou tel scénario de forçage. Quelle sera l’ampleur du réchauffement global, et comment se manifestera-t-il ? Quels seront en particulier les changements dans le cycle de l’eau ?

III. – Le climat et la politique

Certains choix de développement économique paraissent devoir conduire le monde à un réchauffement radical en moins de cent ans, traçant de nouvelles côtes et dessinant de nouvelles cartes de la répartition des pluies, de l’extension des déserts, de la fréquence des sécheresses, du risque de tempêtes. Si nous estimons que les coûts – pour l’environnement des hommes et pour la biodiversité autant que pour l’économie mondiale – sont inacceptables, pouvons-nous changer de cap ? Nous traiterons cette question dans la dernière partie de l’ouvrage, avec l’historique de l’irruption de la question climatique sur la scène politique internationale, une analyse du Protocole de Kyoto, et quelques interrogations sur l’avenir. Il s’agit en fin de compte de savoir si les activités humaines, produisant aujourd’hui des forçages de changement climatique global et déclenchant des rétroactions physiques et biogéochimiques, peuvent également comporter des mécanismes de rétroaction de l’intelligence, permettant de choisir un avenir moins éprouvant que celui vers lequel l’humanité semble se diriger.

Chapitre I

La transformation de l’atmosphère planétaire

I. – La mesure du changement

1. Les mesures du Mauna Loa. – Dès 1895, le chimiste suédois Svante Arrhenius remarque que la combustion croissante de carburants fossiles (charbon, gaz et pétrole) doit nécessairement faire croître la quantité de dioxyde de carbone (CO₂) dans l’atmosphère, et il formule l’hypothèse que cela renforcera l’effet de serre, entraînant un réchauffement à la surface du globe. L’observation directe confirme l’enrichissement de l’atmosphère en CO₂ dès les années 1970. Au cours de l’Année géophysique internationale (1957-1958), l’Américain Charles David Keeling commence sa longue série de mesures systématiques et précises de la concentration atmosphérique de ce gaz. Les instruments, installés à 3 400 m d’altitude sur un ancien champ de lave (19°32′N, 155°35′W) du Mauna Loa (volcan relativement peu actif de la grande île de Hawaï), observent des masses d’air qui la plupart du temps sont des échantillons représentatifs de l’ensemble de l’atmosphère de la Terre. Au bout de quelques années, le résultat est clair : le CO₂ atmosphérique croît systématiquement (fig. 2). En 1958, sa concentration moyenne sur l’année valait 315 parties par million ou ppm¹. En 1974, elle dépasse 330 ppm. On constate bien une oscillation annuelle : le CO₂ diminue de plusieurs ppm au cours de l’été de l’hémisphère Nord, et augmente au cours de l’hiver. Cette oscillation résulte de la distribution dissymétrique de la surface continentale sur le globe. Pendant la saison de croissance de la végétation dans la zone tempérée de l’Eurasie et de l’Amérique du Nord, la photosynthèse retire du CO₂ à l’atmosphère pour fabriquer de la matière organique et de l’oxygène ; le reste de l’année, quand la respiration domine, elle restitue la quasi-totalité de ce CO₂ à l’atmosphère. Cependant, depuis les années 1950, l’augmentation du CO₂ atmosphérique, d’une décennie à la suivante, dépasse l’amplitude de son cycle annuel. Dès 2001, la concentration atmosphérique du CO₂ dépasse les 370 ppm ; en 2007, 385 ppm. Il s’agit là de valeurs moyennes pour toute l’atmosphère de la planète.

2. Le CO₂ avant 1957 et partout sur la Terre. L’ampleur et la rapidité de l’enrichissement de l’atmosphère en CO₂, 5 % d’augmentation en valeur relative en moins de vingt ans, confirment dès 1975 la vraisemblance de l’hypothèse d’un doublement prochain de l’abondance de ce gaz, stimulant des efforts pour compléter les observations de Keeling. D’anciennes analyses de la composition atmosphérique estiment le CO₂ à 290 ppm en 1900. De l’analyse de bulles d’air piégées dans les couches de glace – les neiges d’antan –, on déduit une teneur proche de 277 ppm en 1750. La quantité du CO₂ dans l’atmosphère aura donc augmenté de plus d’un quart au cours du XXe siècle, de plus d’un tiers depuis le début de la Révolution industrielle.

Fig. 2. – En haut – Évolution de 1970 à 2000 de la concentration de CO₂ (en parties par million par unité de volume), mesurée à Mauna Loa (19°N) et en Nouvelle-Zélande (41°S). En 2009, cette concentration dépasse 385 ppm. À droite, la diminution de 1990 à 2000 de la concentration de l’oxygène (écarts en ppm du rapport O₂/N₂) mesurée à Alert (82°N) et en Australie (41°S). L’amplitude de l’oscillation saisonnière est bien plus forte au Nord qu’au Sud. En bas, croissance depuis 1850 des teneurs atmosphériques de plusieurs gaz à effet de serre : CO₂, méthane, protoxyde d’azote, et des CFC. Depuis 2000, les concentrations des CFC commencent à décroître

La transformation de la composition atmosphérique révélée à Mauna Loa a conduit à l’établissement de nombreuses autres stations de mesure à travers le monde, depuis Alert (Canada) à 800 km du pôle Nord, et Barrow (Alaska) au bord de l’océan Arctique, à la station scientifique américaine du pôle Sud, avec une station française sur l’île d’Amsterdam (37°52′S, 77°32′E) dans le sud de l’océan Indien. Dans toutes ces stations, les mesures confirment la réalité de la croissance régulière de la teneur de CO₂. L’amplitude et la phase de l’oscillation annuelle diffèrent d’une station à l’autre, comme on peut s’y attendre, en fonction de la latitude et de la situation par rapport aux surfaces à couvert végétal.

3. La vapeur d’eau. – La vapeur d’eau – l’eau à l’état de gaz – exerce un effet de serre naturel bien plus fort que celui du dioxyde de carbone. Or, la combustion d’hydrocarbures extraits du sous-sol correspond bien à une production de molécules H₂O comme de CO₂. Toutefois, alors que les émissions croissantes de CO₂ font effectivement monter la quantité de CO₂ dans toute l’atmosphère, l’effet direct des émissions d’H₂O reste négligeable par rapport aux flux naturels, 100 000 fois plus forts, du cycle de l’eau. Bien plus importante est la croissance de l’humidité atmosphérique avec le réchauffement de l’atmosphère, cette rétroaction « vapeur d’eau » amplifiant le changement climatique. Nous la discuterons plus en détail dans la section III. 2 du chapitre II. Cette croissance est bien observée par les instruments des satellites, malgré les difficultés liées à la très forte variabilité spatiale et temporelle de la teneur atmosphérique de vapeur d’eau.

4. Les autres gaz à effet de serre. – La surveillance ne se limite pas au dioxyde de carbone ; les scientifiques s’intéressent à plusieurs autres gaz moins abondants révélant des modifications de la chimie de l’atmosphère. Tout gaz constitué de molécules polyatomiques (molécules...