Vérifiez vos connaissances

Référence de base : GIEC : https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/downloads/report/IPCC_AR6_WG1_SPM_French.pdf
Les principales explications figurent ci-dessous, ainsi que des références pour de l’information complémentaire.

Références :
Météo suisse : https://www.meteosuisse.admin.ch/climat/changement-climatique.html
NASA (1): https://climate.nasa.gov/evidence/#otp_evidence

Les principaux gaz à effet de serre (GES) sont : dioxyde de carbone, méthane, protoxyde d’azote, gaz fluorés et ozone principalement.

Leur concentration est mesurée directement depuis 1958. Pour les périodes antérieures qui remontent jusqu’à 800,000 ans avant notre ère environ, elle est mesurée sur les bulles d’air emprisonnées dans les glaces de l’Antarctique.

On connaît donc précisément la composition de l’atmosphère sur cette période de 800,000 ans (voir graphique ci-dessous en 3.2). On voit que la concentration de GES a peu varié jusque vers 1750 de notre ère. Après cela elle a beaucoup augmenté, d’une manière inconnue pendant ces 800,000 ans. Or la date de 1750 coïncide avec le début de l’ère industrielle et l’utilisation croissante et à grande échelle des combustibles fossiles : d’abord le charbon, puis le pétrole, enfin le gaz.

Pour plus d’explications voir ci-après :

2. Qu’est-ce que l’effet de serre ?

3. Comment sait-on que le changement climatique actuel est lié à l’effet de serre ?

4. Comment est-on sûr que l’activité humaine est la cause du changement climatique ?

Pour des précisions concernant l’activité solaire, voir plus bas en 3.3.

Références :
CNRS: https://www.insu.cnrs.fr/fr/CO2-et-climat

L’effet de serre est un mécanisme par lequel une partie du rayonnement solaire est piégé dans les basses couches de l’atmosphère par l’effet de certains gaz: les fameux gaz à effet de serre.

Les principaux sont: vapeur d’eau, dioxyde de carbone, méthane, protoxyde d’azote, gaz fluorés et ozone.

Le mécanisme peut être résumé schématiquement comme suit.

Une partie du rayonnement solaire reçu par la Terre est directement réfléchie vers l’espace sans interaction avec l’atmosphère.

Une plus grande partie encore (71%) de cette énergie est absorbée par l’atmosphère et la surface, qui chauffent et la réémettent (par refroidissement), cette fois-ci dans certains domaines de l’infra-rouge.

Or justement les gaz à effet de serre ont la propriété d’absorber le rayonnement infra-rouge dans ces domaines de fréquences (contrairement à l’oxygène et à l’azote).

Les gaz à effet de serre ainsi réchauffés émettent à leur tour du rayonnement infrarouge dont une grande partie retourne vers la surface de la Terre et la réchauffent.

Ainsi, pour résumer, les gaz à effet de serre interceptent une partie de la chaleur qui serait autrement perdue vers l’espace et la renvoient vers la Terre.

On estime que sans l’effet de serre la température moyenne à la surface de la Terre ne serait que de -19 degrés, plutôt que les 15 degrés actuels.

Ce rôle de l’atmosphère pour maintenir une température moyenne douce à la surface de la Terre a été envisagé dès le début du 19° siècle et son mécanisme a été progressivement compris dans les décennies qui ont suivi.

La vapeur d’eau n’est pas la cause du réchauffement climatique, mais elle influence les mouvements de température par un effet de renforcement rétroactif

La vapeur d’eau est un GES très important. Toutefois sa concentration dans l’atmosphère ne dépend que de la température. Donc si rien ne vient changer la température de la Terre, cette concentration ne varie pas, et donc l’effet de serre qui lui est lié ne varie pas non plus.

En revanche l’augmentation de la température, comme actuellement, causera l’élévation de la concentration de vapeur d’eau, qui elle-même causera une augmentation supplémentaire de température. Le phénomène inverse est également vrai, et la vapeur d’eau amplifiera toute baisse de température provoquée par exemple par une diminution de la concentration de GES dans l’atmosphère.

Références:
UNIGE : https://scienscope.unige.ch/blog/2020/12/08/leffet-de-serre/
NASA (3) : https://climate.nasa.gov/faq/19/what-is-the-greenhouse-effect/
Institut Pierre Simon Laplace : https://web.lmd.jussieu.fr/~jldufres/publi/2009/HDR_JLD.pdf

3.1. Le réchauffement est une conséquence physique inévitable de l’effet de serre

Le mécanisme de l’effet de serre expliqué plus haut fait que l’augmentation de la quantité de gaz à effet de serre dans l’atmosphère va nécessairement provoquer un réchauffement de la température de la Terre (surface + océans + atmosphère). C’est un phénomène physique, il ne peut pas en être autrement (même si c’est un phénomène complexe qui fait intervenir de multiples paramètres et interactions). Et de fait le réchauffement climatique a été prédit dès la fin du 19° siècle.

3.2. Confirmation par l’observation et les mesures

• On sait que l’augmentation des GES va produire un réchauffement, que l’on peut actuellement bien modéliser et prédire quantitativement.
• Le réchauffement observé correspond bien avec les prévisions, à la fois par sa corrélation dans le temps avec l’augmentation des GES, et par son ampleur mesurée.
• Il n’y a pas d’autre cause possible pour ce niveau de réchauffement.
• Il n’y a pas d’autre cause possible pour l’augmentation des GES (détails plus bas).

On observe que depuis la fin du 18° siècle la concentration de l’atmosphère en CO2 a augmenté de manière continue et de plus en plus rapidement pour atteindre un niveau très élevé sans précédent depuis 800,000 ans au moins.

On observe également que depuis 1850 environ la température moyenne à la surface de la terre a augmenté, lentement d’abord puis de plus en plus rapidement, de manière presque continue, pour atteindre désormais le niveau le plus élevé depuis 120,000 ans (le dernier interglaciaire).

Cette correspondance apporte une confirmation expérimentale à la connaissance théorique de l’effet de serre et de son rôle dans le réchauffement actuel.

Ces données sont présentées sous forme de graphes ci-après.

Figure 1: Evolution de la température à la surface de la Terre au cours des 2000 dernières années, reconstituée à partir des archives paléoclimatiques (années 1-2000 de notre ère en gris) et observée (années 1850-2020, en noir). L’écart par rapport à la moyenne de 1850 à 1900 est indiqué en °C. La bande grise montre les incertitudes. Source : Météo Suisse.

Température en Suisse depuis 1864

Figure 2: Chaque année a une couleur différente. Les années codées en rouge sont plus chaudes, celles en bleu plus froides, que la moyenne des années 1961-1990. Source: Météo Suisse

Evolution de la concentration du CO2 depuis 800,000 ans

Evolution de la concentration des gaz à effet de serre depuis le 19° siècle

C’est exactement ce à quoi on peut s’attendre du fait de notre connaissance de l’effet de serre.

Mais peut-il y avoir une autre source de réchauffement? Et peut-il y avoir une autre cause pour l’augmentation des gaz à effet de serre?

3.3. L’activité solaire n’est pas responsable du réchauffement actuel

Il est logique de se poser la question de l’influence solaire sur le changement climatique, puisque presque toute l’énergie disponible sur terre provient du soleil (plus de 99%).

L’activité solaire varie au cours du temps, et avec elle la quantité d’énergie (irradiance) reçue par la Terre.

Toutefois cette variation est faible. Les mesures effectuées au sol depuis 1880 montrent qu’elle a été cantonnée à une fourchette de 0,1 % environ (voir deuxième graphique ci-dessous).

Plus significative encore est l’irradiance au niveau de la partie la plus externe (haute) de l’atmosphère. Cet indicateur est mesuré depuis 1978 et ne révèle pas d’augmentation sur cette période: la quantité d’énergie solaire qui atteint notre planète n’a pas augmenté depuis cette date.

Pour les périodes précédentes l’irradiance peut être estimée à partir de la variation du nombre des taches solaires. Ce nombre varie selon un cycle de 11 ans environ et il est bien corrélé avec l’irradiance.

Le premier graphique ci-dessous indique l’évolution du nombre de taches solaires depuis 1880. On voit que celui-ci a atteint un maximum vers 1960 avant de diminuer depuis. Il est à noter que le cycle actuel depuis 2020 semble s’orienter vers un maximum très élevé en 2025.

L’impact de l’activité solaire sur le climat est un phénomène complexe qui fait intervenir de nombreux paramètres et interactions physiques, qui a fait et fait encore l’objet de recherches actives.

Il paraît établi actuellement que les variations de l’activité solaire ont un impact sur le système climatique.

Mais il est également établi que cet impact est désormais beaucoup plus faible que celui des gaz à effet de serre du fait de leur augmentation rapide et accélérée depuis les années 60. Ceci apparaît clairement dans le premier graphique ci-dessous.

Premier graphique: évolution comparée de la température, du CO2 et du nombre de taches solaires

Source: http://solar-center.stanford.edu/sun-on-earth/FAQ2.html

Deuxième graphique: évolution comparée de la température et de l’énergie solaire reçue par la Terre

Source: https://climate.nasa.gov/climate_resources/189/graphic-temperature-vs-solar-activity/

Preuve expérimentale : seule la troposphère se réchauffe

Il existe un indicateur qui démontre les éléments présentés ci-avant: alors que la température de la partie basse de l’atmosphère dans la quelle nous vivons (la troposphère, jusque vers 12,000 m d’altitude) se réchauffe, la partie au-dessus (la stratosphère, jusque vers 50,000 m) se refroidit. Or, si le réchauffement provenait de l’augmentation de l’énergie solaire reçue, l’impact se verrait dans toutes les couches de l’atmosphère.

C’est donc le signe que de plus en plus d’énergie solaire est retenue dans les bases couches de l’atmosphère par les gaz à effet de serre. De ce fait il y en a moins pour maintenir la température de la stratosphère, qui donc se refroidit.

Pour une historique très complète de l’étude du rayonnement solaire et de son effet sur le climat voir le lien ci-dessous: American Institute of Physics (en anglais).

Références:
Collège de France : https://www.college-de-france.fr/media/edouard-bard/UPL1259544669967471446_Lettre31CdF11Soleil.pdf
NASA (2) : https://climate.nasa.gov/faq/14/is-the-sun-causing-global-warming/
American Institute of Physics : https://history.aip.org/climate/solar.htm
The Conversation : https://theconversation.com/lactivite-solaire-influence-t-elle-le-rechauffement-climatique-104682

L’activité humaine produit une grande quantité de gaz à effet de serre

Ainsi qu’il a été indiqué plus haut, l’augmentation de la concentration de GES dans l’atmosphère est la cause du changement climatique actuel, par le biais de l’effet de serre.

La question est donc de savoir si l’activité humaine est la cause de l’augmentation observée des gaz à effet de serre.

La combustion des énergies fossiles produit environ 35 milliards de tonnes de CO2 par an actuellement. Elle en produisait moins de 2 milliards en 1900, 9 milliards en 1960 et 22 milliards en 1990.

Il n’y a pas de source naturelle connue d’émissions de CO2 de taille comparable.

On estime que la production par les volcans se situe entre 130 et 440 millions de tonnes par an, soit de 80 à 270 fois moins que la quantité provenant des combustibles fossiles comme indiqué ci-dessus.

Par exemple l’éruption du Mt St Helens dans l’Etat de Washington en 1980 a produit 10 millions de tonnes de CO2 en 9 heures. Actuellement il suffit de 2,5 heures à l’humanité pour en émettre la même quantité.

L’évolution de la composition isotopique du CO2 confirme le rôle prépondérant de la combustion des énergies fossiles

Différents types de matières carbonées possèdent des proportions différentes de carbone-12 « léger », carbone-13 « lourd » et carbone-14 radioactif.

La matière végétale est enrichie en carbone-12 alors que les émissions volcaniques sont plus riches en carbone-13.

Du fait de la décroissance radioactive la quantité de carbone-14 diminue de manière prévisible avec le temps. Plus la matière végétale est ancienne moins elle en contient, et les combustibles fossiles n’en contiennent pas du tout.

Or on observe que depuis le début de l’ère industrielle, avec l’augmentation de la concentration de CO2 dans l’atmosphère, le ratio de carbone-13 par rapport au carbone-12 a baissé, ce qui signifie que la source du CO2 est enrichie en carbone-12. Elle n’est donc pas d’origine volcanique, mais au contraire végétale. C’est la caractéristique des combustibles fossiles.

De plus on observe une baisse de la concentration de l’atmosphère en carbone-14, particulièrement depuis 40 ans et l’atténuation des effets des tests nucléaires dans l’atmosphère. C’est l’indication du rejet dans l’atmosphère de grandes quantités de CO2 provenant d’une source sans carbone-14, c’est à dire ancienne. Là encore cela indique l’origine fossile de ce carbone.

Références:
JM Jancovici : https://jancovici.com/changement-climatique/gaz-a-effet-de-serre-et-cycle-du-carbone/la-responsabilite-de-lhomme-est-elle-etablie-pour-le-surplus-de-co2-dans-lair/
NOAA: https://www.climate.gov/news-features/climate-qa/how-do-we-know-build-carbon-dioxide-atmosphere-caused-humans
USGS: https://www.usgs.gov/programs/VHP/volcanoes-can-affect-climate