Origine de la récente augmentation du CO2 dans l’atmosphère

Par Ferdinand Engelbeen. Traduction par Scaletrans.

Dans les cercles climato-sceptiques, il y a pas mal de confusion à propos des mesures historiques/actuelles de CO2. C’est en partie du au fait que des mesures historiques directes assez précises du CO2 dans l’atmosphère par voie chimique montrent des valeurs beaucoup plus élevées pour certaines périodes (particulièrement autour de 1942), que les 280 ppm environ mesurés dans les carottes de l’Antarctique. 280 ± 10 ppm sont considérés comme le taux de CO2 atmosphérique préindustriel pour l’interglaciaire actuel (l’Holocène) par la communauté scientifique. Ceci est assez important car s’il y a eu des niveaux de CO2 (beaucoup) plus élevés dans le passé récent, cela peut indiquer que les niveaux actuels de CO2 ne proviennent pas de l’utilisation des combustibles fossiles, mais d’une variation naturelle et par conséquent son influence sur la température est sujette aussi à (d’importantes) variations naturelles, et le climat actuel plus chaud n’est pas du à l’utilisation de combustibles fossiles.

Pour conforter mon scepticisme : j’aime voir et examiner les arguments des deux côtés de la barrière et me faire ma propre opinion basée sur ces arguments. Je suis à peu près certain que les modèles climatiques actuels sous estiment le rôle du soleil et d’autres variations naturelles comme les oscillations océaniques sur le climat, et surestiment le rôle des gaz à effet de serre et des aérosols. Mais je suis également sûr que l’augmentation du CO2 dans l’atmosphère est principalement due à l’utilisation des combustibles fossiles.

Il y a plusieurs raisons pour lesquelles l’hypothèse d’importantes variations non anthropiques du CO2 dans l’histoire récente est fausse (voir mon commentaire sur la dernière compilation de mesures historiques d’Ernst Beck) et que l’essentiel de l’augmentation récente de CO2 dans l’atmosphère est d’origine humaine, mais cela nécessite une explication par étapes. Suivons les étapes :

  1. Preuve de l’influence humaine sur l’accroissement du CO2 dans l’atmosphère.
    1. Le bilan de masse
    2. Les caractéristiques du processus
    3. Le ratio  13C/12C
    4. Le ratio 14C/12C
    5. L’utilisation de l’oxygène
    6. Les pH et pCO2 océaniques
    7. Les processus en jeu
  2. Conclusion
  3. En supplément : combien de CO2 anthropique dans l’atmosphère ?
  4. Références

1. Preuve de l’influence humaine sur l’accroissement du CO2 dans l’atmosphère.

1.1 Le bilan de masse

Le total du CO2 d’origine anthropique de nos jours est d’environ 9 GtC/an (CO2 compté comme carbone). L’augmentation dans l’atmosphère est d’environ 5 GtC/an. Cela implique qu’il n’y a que peu ou pas d’augmentation due à d’autres causes dans l’atmosphère, ou que la quantité atmosphérique dans le cas d’un déséquilibre naturel devrait être plus élevée et non plus basse. Voici ce que cela donne pour les cinquante dernières années.

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Le graphe montre l’augmentation du CO2 provenant de la combustion des fossiles et de la production de ciment par rapport à l’augmentation trouvée dans l’atmosphère et l’enfouissement du CO2 dans la végétation et les océans, en ppmv/an (1 ppmv = 2.1 GtC)

Le graphe est basé sur les calculs d’émissions provenant des données nationales d’utilisation de combustibles et de production de ciment [1]. Dans le meilleur des cas, elles sont exactes, dans le pire des cas, elles sont sous-estimées (ce qui est probablement le cas pour la Chine). Les données de CO2 dans l’atmosphère proviennent des mesures très précises de Mauna Loa [2]. La différence entre les émissions de CO2 (exprimées en gigatonnes de carbone par an – GtC/an) et l’augmentation de carbone dans l’atmosphère et ce que les océans et/ou la végétation absorbent chaque année (les autres puits sont bien plus petits). La répartition entre la végétation et les océans en tant que puits se calcule à partir du taux d’oxygène. C’est sans intérêt pour le bilan total car chaque année le total terre+océans est plus important que la source. Mais il est cependant intéressant de connaître les montants respectifs d’absorption par les plantes et par les profondeurs des océans. Cela a été fait par Battle & al. et plus récemment par Bender & al. [3], à partir des variations de δ13C et des variations de contenu en oxygène dans l’atmosphère durant la dernière décennie du siècle précédent et d’estimations plus anciennes :

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L’accroissement du CO2 atmosphérique de plus de 70 ppmv (~150GtC) depuis le début des mesures précises au Pôle Sud et à Mauna Loa est d’environ 70% de l’augmentation depuis le début de la révolution industrielle. Ceci se base sur des mesures en beaucoup d’endroits où l’on peut mesurer des niveaux « de fond » de CO2 (voir « où faire des mesures« ), avec le minimum d’interférences dues à des puits ou des sources locales de CO2. Le Taux de CO2 dans l’atmosphère des temps préindustriels se base sur les carottages de glace, qui sont lissés : moyennés sur ~10 ans pour les carottes à haute résolution du Dôme Law des 150 dernières années et sur ~560 ans pour les 800.000 ans du Dôme C. Cependant, il y a des proxies avec une meilleure résolution dans le temps qui indiquent également des niveaux de CO2 inférieurs avant les émissions.

Comme le montre le premier graphe, durant chacune des cinquante dernières années, les émissions sont plus importantes que l’accroissement dans l’atmosphère. Cela signifie que le bilan de masse total de toutes les variables naturelles (température, pH océanique, végétation) qui influence le niveau de CO2 va toujours vers plus d’absorption que de source pour chaque année.

L’échange saisonnier naturel entre végétation et océans d’une part et l’atmosphère d’autre part est estimée à environ 150 GtC/an. Mais la raison pour laquelle l’échange se fait sur une année est de peu d’intérêt, car l’essentiel des émissions naturelles est absorbé au cours de la même année. La différence après une année n’excède pas ±2 GtC, causée principalement par des variations de température (El Niño, éruption du Pinatubo). Par conséquent les variations naturelles sur une année sont inférieures aux émissions. Peu importe l’importance du renouvellement saisonnier, dans les 50 années qui précèdent, l’absorption naturelle de CO2 a été supérieure aux émissions naturelles… Donc il est presque impossible que les émissions naturelles aient été responsables de l’augmentation du CO2 (pour une part substantielle) dans les 50 dernières années. Sauf si – pure théorie – une augmentation similaire mais énorme des émissions et absorptions naturelles parallèle aux émissions anthropiques donnait le même résultat.
Mais une augmentation si énorme (fois 3) de la circulation naturelle nécessite des preuves solides :

  • L’augmentation devrait imiter les émissions humaines exactement au même rythme. Par conséquent le quasi triplement des émissions humaines et de l’accroissement du taux dans l’atmosphère devrait avoir en contrepartie un quasi triplement de la rotation naturelle : d’un montant estimé de 150 GtC d’émission/absorption par an à quelque 450 GtC. Mais il n’y a pas la plus petite indication d’une augmentation de la rotation. Au contraire, les estimations récentes du taux de rotation dans l’atmosphère montrent une réduction de cette rotation dans l’atmosphère, ce qui résulte probablement d’un taux d’échange plus ou moins constant dans une masse totale croissante de CO2 dans l’atmosphère.
  • Tout échange supplémentaire depuis les océans ou la végétation laisserait une empreinte dans le taux de variation de 13C/12C causé par les émissions humaines et dans le taux de variation de 14C/12C du pic d’explosions nucléaires des années 1950-1960. Mais ce n’est pas le cas.
  • On ne connaît pas de processus physique naturel qui puisse accroître les dégazages de CO2 sans au moins une rétroaction négative partielle due à un accroissement de pression concomitant des océans et de la végétation.

Ceci prouve que les émissions anthropiques sont la principale cause de l’augmentation de CO2, au moins pour les 50 dernières années. Mais il y a d’autres indications pour cela…

1.2. Les caractéristiques du processus :

Voici un graphe de la tendance de la température (globale), le montant cumulé des émissions et l’augmentation du CO2 dans l’atmosphère (1900-2011) :

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La tendance de la température est la moyenne annuelle (mer + terre) des températures, selon le Hadley Center (RU) [13]. Les émissions proviennent de la base de données internationale (DOE, USA, [1]). Les niveaux de CO2 de l’atmosphère avant 1959 proviennent des carottes de glace (Law Dome, Siple Dome, [11]) et après 1959 les données proviennent des mesures à Mauna Loa (Hawaï, [12]). Le point de comparaison pour le niveau de CO2 est de 300 ppmv autour de 1900 (ou 290 ppmv autour de 1850). La moyenne glissante sur 21 ans est ajoutée car certains ont trouvé une bonne corrélation entre cette moyenne et l’augmentation de CO2. C’est vrai après 1980 (base de la corrélation), mais faux pour toute la période depuis 1900 jusqu’à maintenant.

Comme on peut le calculer, la corrélation entre température et niveaux de CO2 est assez faible (corr.: 0.881; R2: 0.776), et d’après le détail des graphes T/dCO2, on peut voir qu’un fort changement de température sur une année quelconque a peu d’influence sur les niveaux de CO2, par comparaison avec l’influence du changement de température sur l’ensemble de la tendance, si la température était responsable à la fois de la variabilité à court terme et de l’augmentation à long terme :

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Ceci indique que la température n’est pas la cause de l’ensemble de l’accroissement, mais la cause de la variation (± 1.2 ppmv) autour de l’accroissement (actuellement d’environ 2 ppmv/an). Voir en détail la page du processus (voir le paragraphe 1.7).

D’un autre côté, la corrélation entre les émissions cumulatives et l’accroissement dans l’atmosphère est presque parfaite (corr.: 0.999; R2: 0.998) sur l’ensemble de la période :

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Le ratio est de 50-55% entre l’augmentation dans l’atmosphère et ce qui est émis. Ceci montre qu’il s’agit d’un simple processus linéaire du premier ordre, en lien direct avec la différence de pression partielle entre le CO2 dans l’atmosphère et le CO2 dans les océans (et la végétation). Plus le contenu de CO2 dans l’atmosphère est élevé, plus la pression pousse le CO2 dans les océans. Actuellement, la différence de pression partielle entre l’atmosphère et les océans est d’environ 7 ppmv [4], d’après les sondes de navires et les bouées. L’augmentation de la différence de pCO2 provoque de plus en plus d’absorption de CO2 par les océans (et aussi par la végétation).

De nouveau, cette relation claire indique une influence directe des émissions sur l’accroissement dans l’atmosphère. On ne connaît pas de processus naturel capable de forcer le CO2 dans l’atmosphère exactement dans la même proportion comme c’est le cas ici pour les émissions. Il suffit de regarder la différence de variabilité de la courbe des températures (qui a une influence à court terme limitée sur les niveaux de CO2 de 4-5 ppmv/°C) avec la régularité de la courbe des émissions…

Ceci renforce l’argument selon lequel les émissions sont la principale cause de l’accroissement dans l’atmosphère.


1.3. Le ratio 13C/12C:

Le carbone du CO2 se compose de différents isotopes. La majorité est du type léger: 12C (qui a 6 protons et 6 neutrons dans le noyau) et environ 1,1% est plus lourd : 13C (6 protons et 7 neutrons dans le noyau). Il y a aussi du 14C (6 protons et 8 neutrons), qui se forme continuellement dans la stratosphère par les collisions d’azote avec des particules de rayons cosmiques. Ce type de carbone (également formé lors des explosions nucléaires dans l’atmosphère des années cinquante) est radio actif et permet de mesurer l’âge de fossiles jusqu’à 60.000 ans (Ndt à condition qu’ils ne soient pas totalement minéralisés).

On peut mesurer la proportion de 13C/12C et la comparer à un standard. Dans le passé, le standard était un certain type de carbonate, appelé Pee Dee Belemnite (PDB). Lorsque la roche standard fut épuisée, elle fut remplacée par une définition zéro dans une conférence à Vienne, donc le nouveau standard est appelé le VPDB (Vienne PDB). On peut mesurer la proportion 13C/12C de chaque contenu de carbone de tout sujet. La comparaison avec le standard s’exprime en mil δ13C :

(13C/12C)sampled – (13C/12C)standard
δ13C = —————————————————————— x 1.000
(13C/12C)standard

Où le standard est défini comme 0,0112372 parties de 13C pour une partie de carbone total. Donc les valeurs positives comportent plus de 13C et les valeurs négatives moins de 13C. Maintenant le point intéressant est que la croissance de la végétation utilise de préférence le 12C, donc si vous mesurez le δ13C vous verrez que cette valeur est assez faible. Comme presque tous les combustibles fossiles ont été formés à partir de végétation (ou de bactéries méthanogéniques avec des préférences similaires) ils ont également de faibles valeurs de δ 13C. Pour une bonne introduction au cycle de l’isotope dans la nature, voyez le e-book de Anton Uriarte Cantolla [5].

C’est une caractéristique intéressante car nous pouvons déterminer si les niveaux de CO2 atmosphériques (qui sont actuellement en dessous de – 8 pour mille de VPDB) ont été influencés par la décomposition de la végétation ou par la combustion de carburant fossile (tous les deux à environ -24 pour mille) vers le côté négatif ou par le dégazage des océans (0 à +4 pour mille) vers le côté positif comme les sources possible les plus importantes.

Grâce à différentes stations de mesures de CO2, nous avons non seulement des mesures de CO2, mais aussi des mesures de δ13C. Bien que cela soit seulement sur une période d’environ 25 ans, la tendance est claire et montre une source externe faible de δ13C dans l’atmosphère.

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Evolution du δ13C à partir de mesures directes d’air ambiant de 10 stations. Source des données [6].

ALT=Alert ; BRW=Barrow ; MLO=Mona Loa ; KUM=Cap Kumukahi ; SMO=Samoa ; SPO=Pôle Sud.

De nouveau, nous voyons un décalage des tendances en δ13C dans l’atmosphère en fonction de l’altitude, un transfert HN/HS et moins de variabilité dans l’HS. De nouveau, cela indique une source dans l’HN. Que cela provienne de la décomposition végétale (plus présente dans l’HN que dans l’HS) et/ou de l’utilisation de combustibles fossiles (90% dans l’HN) est résolu dans l’étude de Battle & al. [3], où il est montré qu’il y a moins d’oxygène utilisé que calculé pour l’utilisation de combustible fossile. La végétation donc produit de l’O2, du fait de l’incorporation de plus de CO2 qu’il n’en est produit par la décomposition végétale (qui consomme de l’oxygène). Cela signifie que plus de 12C est incorporé, et que par conséquent plus de 13C est laissé dans l’atmosphère. La végétation réduit donc le 12C par rapport au 13C et n’est donc pas la cause de la réduction du ratio 13C.

Et nous avons une quantité d’autres mesures de δ13C plus anciennes dans l’atmosphère : les carottes de glace et de névé (bulles d’air non complètement closes dans l’état neige/glace intermédiaire).

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La figure tirée de [7] compare les variations de δ13C des eaux océaniques supérieures et de l’atmosphère

Ce que nous pouvons voir est que les niveaux de δ13C aussi bien dans l’atmosphère que dans le sommet des océans commencent à décroître à partir de 1850, ce qui est le début de la révolution industrielle. Durant les 400 années qui précèdent, il y a seulement une petite variation causée probablement par la baisse de température du Petit Âge Glaciaire. Les mesures de long terme du taux de δ13C dans le CO2 à partir des carottes de glace montrent que sur toute la période de l’Holocène, les variations n’excédaient pas 0.2 pour mille. Même le passage du glaciaire à l’interglaciaire ne donne pas plus de 0.2 pour mille en variation de δ13C.

A nouveau il s’agit d’une bonne indication de l’influence de l’utilisation des combustibles fossiles…

1.4. Le ratio 14 C12C

Le 14C est un isotope de carbone créé dans l’atmosphère par l’impact de rayons cosmiques. C’est un isotope instable (radioactif) qui dégrade avec une demi-vie d’environ 6.000 ans. Le 14C est utilisé pour la datation de fossiles pas trop âgés (maximum 60.000 ans). La quantité de 14C dans l’atmosphère est variable (dépendante de l’activité solaire), mais malgré cela, elle donne une méthode raisonnable de datation. Jusqu’à ce que l’homme commence à brûler des carburants fossiles…

La quantité de 14C dans l’atmosphère et la végétation est plus ou moins en équilibre (comme c’est le cas pour le 13C : une légère diminution due à la prédilection du processus biologique envers le 12C). Mais la moitié retourne à l’atmosphère en un an, par la décomposition des feuilles. D’autres parties demandent plus de temps, mais énormément retourne à l’atmosphère en quelques décennies. Pour les océans, le décalage entre l’incorporation du 14C dans les océans (dans le puits du grand courant océanique de l’Atlantique Nord) et sa libération autour de l’Equateur prend de 500 à 1500 ans, ce qui donne une légère diminution de 14C, en même temps qu’une solution de très vieux carbonate totalement exempt de 14C. Aux temps préindustriels, il y avait un équilibre entre la production de 14C d’origine cosmique et la déplétion océanique.

Au moment de leur formation les combustibles fossiles (qu’il s’agisse du bois pour le charbon, ou du plancton pour le pétrole) incorporaient un peu de 14C, mais ceux-ci ayant des millions d’années, il ne reste plus de carbone 14 mesurable. C’est le même cas pour le 13C, la quantité de CO2 libérée par la combustion des carburants fossiles a dilué le contenu de l’atmosphère en carbone 14. Ceci est la cause de problèmes de datation au carbone depuis environ 1890. Cependant, on utilise une table de correction pour corriger les échantillons postérieurs à 1890. Dans les années cinquante, une autre intervention humaine a perturbé la datation au carbone 14 : les essais nucléaires ont apporté beaucoup de radiations qui ont presque doublé le contenu en carbone 14 de l’atmosphère. Depuis, cette quantité se réduit rapidement, les océans la remplaçant par des niveaux de carbone 14 « normal ». La demi-vie est d’environ 14 ans.

A nouveau, ceci renforce la preuve que la combustion de carburants fossiles est la principale cause de l’augmentation du CO2 dans l’atmosphère…

1.5 L’utilisation de l’oxygène :

Pour brûler des combustibles fossiles il faut de l’oxygène. Comme pour chaque type de combustible on connaît le taux d’oxygène à utiliser, on peut calculer le montant total d’oxygène utilisé pour la consommation des combustibles fossiles. Parallèlement, le montant réel d’oxygène utilisé peut être mesuré dans l’atmosphère. C’est assez difficile, car la variation de l’O2 atmosphérique d’une année sur l’autre est assez faible comparé à sa quantité totale (quelques ppmv par rapport à plus de 200.000 ppmv). De plus, aussi bien pour le CO2 que pour l’oxygène, il y a l’influence annuelle de la croissance et de la décomposition végétale. C’est seulement depuis les années 90 que des mesures d’oxygène de résolution suffisante sont disponibles. Ces mesures révèlent qu’on utilise moins d’oxygène que calculé à partir de l’utilisation des combustibles fossiles. Cela indique que la croissance de la végétation est une source supplémentaire d’oxygène, donc la végétation est un puits de CO2, au moins depuis 1990. La combinaison des mesures d’O2 et de δ13C a permis à Battle & al. [3] de calculer combien de CO2 était absorbé par la végétation et par les océans respectivement. Les tendances de l’O2 et du CO2 pour la période 1990-2000 peuvent être montrées dans un joli diagramme :

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Tendances O2-CO2, d’après GIEC TAR [8]

Cela ne prouve pas directement que tout l’accroissement de CO2 dans l’atmosphère provident de l’usage de combustible fossile, mais comme les océans et la végétation montrent une absorption nette, et que les autres sources sont beaucoup plus lentes et/ou plus petites (érosion rocheuse, dégazage volcanique…):

Il n’y a qu’une seule source rapide possible : la consommation de combustibles fossiles.


1.6 Les pH et pCO2 océaniques:

Si le CO2 augmente dans l’atmosphère avec 50-55% des émissions accumulées, une partie est absorbée par la végétation (voir le chapitre 1.4), une autre partie est absorbée par les océans. Lorsque le CO2 est absorbé par les océans, c’est partiellement en solution dans sa forme originale, mais une petite quantité réagit avec les ions de carbonate disponibles pour former du bicarbonate. Entre 1751 et 1994 le pH moyen de la surface océanique a diminué approximativement de 8,179 à 8,104 (une baisse de -0,075), d’après des études océaniques récentes et plus anciennes [9].

Mais on peut interpréter le pH océanique d’une autre façon : si pour une raison quelconque le pH est réduit (p. ex. par un événement volcanique sous-marin avec beaucoup de SO2), cela conduit à un accroissement important du pCO2 (océanique) et à une libération importante de CO2 dans l’atmosphère. Mais ceci est en contradiction avec les modifications de 13C observées : si le CO2 océanique (depuis les fonds océaniques vers la surface et ensuite dans l’atmosphère) était relâché, cela devrait accroître le taux de 13C/12C du haut des océans comme de l’atmosphère, alors que nous voyons l’inverse. De plus, le dégazage supplémentaire du haut des océans en raison d’un pH plus bas réduirait la quantité totale de carbone (DIC Carbone Inorganique Dissous, c. à d. CO2 + bicarbonate + carbonate) dans la couche de surface des océans. Donc le surplus de CO2 atmosphérique va dans les océans et non l’inverse.

En outre, une autre partie de l’étude des océans compare le pCO2 de l’atmosphère avec celui d’océans différents à différentes latitudes. On voit qu’il y a de grosses différences du pCO2 océanique à différentes latitudes en raison des variations de température et de DIC. Cela donne un dégazage permanent sous les tropiques (pCO2 de 750 µatm dans le haut des océans contre 400 µatm dans l’atmosphère) et une absorption permanente dans les océans polaires, spécialement dans l’Atlantique Nord (minimum 150 µatm contre 400 µatm). Dans les latitudes moyennes, les océans sont émetteurs ou absorbeurs CO2 selon la saison, en fonction de la température et de la vie marine (plancton). La moyenne globale annuelle du différentiel de pCO2 (atmosphère) et pCO2 (océans) est d’environ 7 ppmv. Cela signifie qu’en moyenne plus de CO2 va de l’atmosphère aux océans que l’inverse [4]. De plus, différentes études dans le temps révèlent que des zones océaniques qui étaient des sources nettes de CO2 sont progressivement devenues des puits nets.

Bien que les données de pCO2 océanique soient éparpillées dans le temps et les zones couvertes, les tendances montrent clairement que le flux moyen (en croissance) de CO2 va de l’atmosphère vers les océans et non l’inverse.

Ceci donne un poids supplémentaire aux preuves que les émissions anthropiques sont la cause principale de ‘augmentation du CO2 dans l’atmosphère.

1.7 Les processus en jeu :

Les niveaux de température et de CO2 sont assez étroitement couplés sur de très longues périodes comme on peut le voir dans les carottes de glace. Il existe un rapport constant entre les proxies de température (δD et δ18O) et le niveau de CO2 sur la période de 420.000 ans à Vostok, confirmé récemment par les enregistrements de 800.000 ans des carottes de glace du Dome C.

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Rapport entre les niveaux de CO2 et la température calculée à partir du proxy δ18O des carottes glaciaires de Vostok [11]. La plupart des déviations proviennent du décalage du CO2 après un changement de température, décalage plus grand après un refroidissement qu’après un réchauffement.

Les proxies de température de Vostok et d’autres glacier continentaux sont mesurés dans la glace : les isotopes plus lourd augmentent en proportion avec des températures d’eau de mer dans la zone d’évaporation d’eau, ce qui est largement le cas des océans de l’Hémisphère Sud. De toutes façons, il y a rapport clair entre les niveaux de température et de CO2 (environ 8 ppmv/°C), ou les décalages de CO2 sont de 800 +/- 600 ans durant une déglaciation et plusieurs milliers d’années durant une glaciation.

On peut voir le même ratio dans le carottage glaciaire de résolution moyenne (moyenne sur ~ 20) de Law Dome DSS :

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Niveaux de CO2 des carottages de Law Dome selon Etheridge & al. 1996 [12].

Si nous admettons que la différence de température entre l’OM (Optimum Médiéval) et le PAG (Petit Âge de glace) fut d’environ 0,8°C (Moberg, Esper et plusieurs autres) et la chute de CO2 de 6 ppmv (avec un décalage de ~ 50 ans) nous sommes alors de nouveau autour de 8 ppmv/°C pour le rapport CO2-température.

Sur des périodes plus courtes il y a une influence directe du taux de variation de la température sur le taux de variation du CO2 :

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Graphe dT/dt par rapport à dCO2/dt avec l’outil Wood for Trees [13]

Il y a un petit (pi/2) décalage entre les variations de température et de CO2. Cela tient à la dynamique du processus : l’augmentation/diminution de la production de CO2 à partir de l’augmentation/diminution de température prend un certain temps. Pour les variations dynamiques à fréquence relativement élevée, l’analyse mathématique montre un décalage de pi/2 de la fréquence. En prenant les dérivées des variations de température et de CO2 les deux reculent de pi/2, le même décalage de pi/2 vaut pour les dérivées..
Du reste j’ai pris un facteur de 3.5 pour le graphe de température : cela fait que les amplitudes de variation de température et de CO2 sont similaires. On peut dériver un facteur de reconstitution similaire pour la variation globale de CO2 et les variations saisonnières de température: un facteur de 4-5 entre ppmvCO2 et °C.

Plus important que le décalage soit le fait qu’il n’y a pas de tendance dans la dérivée de température, alors qu’il y en a une dans le taux de variation du CO2. C’est parce que la température augmente de façon plus ou moins linéaire, alors que les émissions et l’augmentation de CO2 dans l’atmosphère sont légèrement quadratiques avec le temps.

Certains maintiennent que l’augmentation du CO2 dans l’atmosphère est le résultat direct de la légère variation de température (0,6°C) des cinquante dernières années. C’est parce que si vous tracez la tendance de température avec un facteur et une compensation avec la dérivée de CO2, cela peut donner une correspondance parfaite du timing et de la tendance de variabilité. Mais c’est une correspondance fallacieuse : le timing parfait vient de ce qu’il y a un décalage de pi/2 des variations de CO2 après des variations de température de court terme. Si vous prenez la dérivée de CO2, il a un déplacement dans le temps de pi/2 et donc un timing parfait avec la variabilité de température. Donc, quoique mathématiquement possible, il n’y a pas la plus petite ressemblance avec un processus physique, sauf si, et seulement si, les variabilités de court et long terme ont les mêmes causes, ce qui a été prouvé faux.

Voyons ce qui cause la variabilité de court terme. D’abord les variations saisonnières :

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Variations saisonnières de CO2 et de δ13C pour Barrow et Mauna Loa, données source [6]

Comme on peut le voir, l’augmentation de température au printemps provoque la pousse des feuilles dans les forêts extra-tropicales, ce qui réduit les niveaux de CO2 et particulièrement ceux de 12CO2, laissant plus de 13CO2 dans l’atmosphère. Cela donne un accroissement de δ 13C au printemps-été, alors qu’il se produit l’opposé en automne-hiver.

Maintenant, qu’est-ce qui cause la variabilité annuelle dans le taux de variation :

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Taux de variation de température, CO2 et δ13C au fil du temps. Données sources [6] et [13]

Comme on peut le voir : la variabilité annuelle est de nouveau causée par la température, mais le CO2 résultant est à l’opposé des changements saisonniers : une augmentation du taux de variation de température donne une augmentation du taux de variation de CO2. Mais à nouveau c’est la végétation qui fait la différence : le taux de variation de δ13C est à l’opposé du taux de variation du CO2. Dans ce cas, on pense que la végétation des forêts tropicales souffrent de l’élévation des températures (et de changements de configuration précipitations/sécheresses) durant les événements El Niño.

Mais même si la végétation est responsable de l’essentiel de la variabilité de court terme, elle n’est pas responsable de la tendance du CO2 : il est prouvé que la végétation est un puits de CO2, comme on peut le calculer à partir du bilan en oxygène (voir chapitre 1.5). La terre reverdit…

Une analyse plus détaillée du processus se trouve à la page de la variabilité du CO2.

Donc, alors que les changements de température sont responsables de la variabilité de court et (très) long terme aux époques préindustrielles.

2 Conclusion

D’après les preuves disponibles il est assez clair que les émissions anthropiques sont la cause principale de l’augmentation du CO2 dans l’atmosphère. Il y a une petite influence de la température sur cette augmentation car des océans plus chauds relâchent un peu de CO2 (mais des terres plus chaudes absorbent plus de CO2 par la végétation !). L’influence de la température est limitée : selon la variabilité de l’augmentation du CO2 autour de la tendance, le taux à court terme (saisonnier jusqu’à 2-3 ans) est de 4-5 ppmv/°C (selon la saisonnalité et les événements du Pinatubo 1992 et d’El Niño 1998 ayant influencé la température en mode inverse). L’influence à très long terme de la température sur les niveaux de CO2 (carottages de Vostok) est d’environ 8 ppmv/°C. Donc, au maximum, l’influence de la température sur l’augmentation actuelle depuis le PAG est 0.8 °C X 8 ppmv/°C = 6.4 ppmv sur les plus de 100 ppmv d’augmentation depuis le début de la révolution industrielle.

Il n’y a que deux sources rapides principales de CO2 pour l’atmosphère, à côté de la consommation de combustibles fossiles : les océans et la végétation. La végétation n’est pas une source de CO2, comme l’a montré le déficit en oxygène (voir chapitre 1.6). C’est plus que suffisant pour s’assurer que les émissions anthropiques sont la cause de l’essentiel de l’augmentation du CO2 dans l’atmosphère sur les 160 années passées.

Nous pouvons donc conclure :

Toutes les mesures effectuées à travers tout le globe montrent avec des preuves éclatantes que les humains causent le plus gros de l’augmentation récente du CO2 dans l’atmosphère.

Mais…

Que les humains soient la cause de l’augmentation récente du CO2 ne dit rien à propos de l’influence du CO2 en augmentation sur la température !

3 En supplément: combien de CO2 anthropique dans l’atmosphère ?

Beaucoup de gens sont perdus sur ce sujet : un faible pourcentage de l’atmosphère est actuellement d’origine anthropique. C’est parce que chaque année environ 150 GtC (soit moins de 20% du contenu total de CO2) sont échangées entre l’atmosphère, les océans et la végétation. Cela signifie que chaque molécule de CO2 anthropique a 20% de chance par an d’être incorporée dans la végétation ou dissoute dans les océans. Cela fait que la demi-vie (le temps de « résidence ») du CO2 anthropique est de seulement 5 ans. Ce fut confirmé par le sort du 14C provenant des explosions nucléaires, après l’arrêt des essais (Ndt. : dans l’atmosphère). Donc, si dans une année donnée, les hommes émettent 8 GtC , l’année suivante environ 6.5 GtC reste d’origine humaine, le reste ayant été échangé avec le CO2 des océans et la végétation. La seconde année il reste 5.3 GtC, puis 4.3 GtC, etc…

Ce n’est pas totalement exact, car une partie du CO2 “humain” revient l’année (s) suivante, particulièrement par la végétation, d’autant plus si celle-ci est constituée de feuillages caducs, dont la décomposition restitue une grande partie du CO2 incorporé les années précédents. C’est moins le cas pour les océans où plus de CO2 absorbé disparaît dans les profondeurs où il n’est plus discernable. Il existe des techniques pour suivre le CO2 anthropique même là, avec l’utilisation d’autres gaz d’origine humaine comme les CFC et le surplus de 14CO2 des essais nucléaires de 1945-1960 pour tracer les émissions passées. De toutes façons, la « demi vie », c’est à dire la période de temps nécessaire pour que les molécules de CO2 disparaissent est d’environ 5 ans.

Sur de plus longues périodes, les humains continuent à émettre du CO2 (actuellement 9 GtC/an). L’accumulation sur les dernières années est de 9 + 7.2 + 5.8 + 3.7 +… ou environ 40 GtC pour les émissions de 30 dernières années.
C’est seulement 5% de l’atmosphère actuelle… Certains en concluent que les humains sont seulement responsables de 5% de l’augmentation du CO2 et donc, dans la mesure où cela influence la température, aussi de seulement 5% de l’augmentation de la température. Mais c’est une hypothèse fausse…

Les paragraphes précédents traitent de la quantité de CO2 anthropique restant dans l’atmosphère. C’est la question de l’origine et du sort de molécules individuelles de CO2 dont la durée de vie atmosphérique est réglée par la rotation des saisons (va et vient du flux) d’environ 150 GtC en/hors atmosphère de/vers les océans et la végétation, et n’a rien à voir avec le sort de la quantité supplémentaire (massique) émise par les hommes, ni avec l’accroissement qui en résulte de la quantité totale de CO2 dans l’atmosphère. Cet accroissement est régit par la quantité nette qui, année après année, est incorporée dans les océans et la végétation. Cela représente seulement 1-7 GtC/an (variation due à la variabilité de la température) ou en moyenne 50-55% des émissions. La demi-vie de ce supplément (massique) de CO2 est bien plus longue que la demi-vie d’une molécule individuelle : autour de 40 ans [14]. Par conséquent si nous pouvions arrêter aujourd’hui toutes les émissions de CO2, l’accroissement de 100 ppmv depuis le début de la révolution industrielle descendrait à 50 ppmv après quelques 40 ans, encore 25 ppmv après 80 ans et 12.5 ppmv après 120 ans…

Le GIEC table sur des demi-vies beaucoup plus longues en suivant le modèle de Berne. C’est une combinaison de puits relativement rapides (océans supérieurs), plus lents (océans profonds et stockages plus permanents dans la biosphère) et très lents pour le CO2 supplémentaire. Ils présupposent que les premiers puits relativement rapides de CO2 verront leur capacité se réduire avec les années. C’est seulement vrai pour les couches océaniques de surface qui suivent assez rapidement (1-3 ans) l’atmosphère, mais sont saturées à 10% de la variation dans l’atmosphère en raison du facteur tampon/Revelle. Certains médias parlent de centaines ou de milliers d’années pour le temps de résidence du CO2 supplémentaire dans l’atmosphère. C’est vrai pour la dernière partie de la courbe, car les plus petites quantités de CO2 rejoignent les puits de plus en plus lentement. Mais l’essentiel (87.5%) du CO2 supplémentaire disparaîtra en 120 ans car il n’y a pas de signe de ralentissement de la capacité d’absorption des profondeurs des océans et de la végétation.

Plusieurs discussions m’ont révélé qu’il est difficile de comprendre les deux mécanismes différent qui règlent le sort du CO2 anthropique dans l’atmosphère : le sort de molécules individuelles, réglé par le taux d’échange (« turnover ») et le sort d’un accroissement du total de CO2, réglé par les taux d’absorption (capacité du puits). J’essaye de donner ici un exemple pour illustrer la différence :

Supposons que vous commencez la journée dans votre boutique avec 1.000 € dans votre caisse enregistreuse, sous forme de pièces de 1 euro toutes pressées en France. Durant la journée vous avez environ 200 € de dépenses pour des livraisons de marchandises et vous recevez 192 € produits de ventes. A la fin de la journée, vous avez 992 € dans votre caisse enregistreuse, non plus seulement d’origine française, mais une partie provenant d’Allemagne, Belgique, Espagne…

 

Le jour suivant, vous ajoutez 16 € de votre bourse personnelle, provenant seulement de Hollande à votre caisse enregistreuse pour commencer la journée avec 1008 €. Vous pouvez répéter cela durant quelques semaines jusqu’à ce que vous n’ayez plus d’argent dans votre bourse… Sur plusieurs semaines, vous verrez que le nombre d’euros provenant de Hollande augmente doucement en proportion, mais l’augmentation du montant total dans votre caisse enregistreuse est seulement de 50% de ce que vous ajoutez sur une base quotidienne. Cela signifie que vous avez un problème : vos dépenses sont supérieures à votre revenu. Cela signifie également qu’en dépit des important échanges journaliers (qui amènent une réduction rapide des euros hollandais), cela n’a aucune influence sur le montant total d’argent que vous avez en fin de journée, seulement ce que vous avez ajouté vous-même et la différence (négative) de la balance totale des comptes. Dans ce cas il n’y a pas d’addition nette d’argent par votre business journalier, seulement une perte quotidienne.
La différence entre les deux demi-vies de CO2 est comparable d’un côté au sort du nombre d’euros hollandais dans la caisse enregistreuse à la fin de chaque journée (qui dépend des montant ajoutés et échangés ce jour et de la composition des échanges), alors que de l’autre côté, le second temps de demi-vie dépend seulement de la somme totale d’euros ajoutés et ce qui reste de toutes les transactions à la fin de la journée. C’est indépendant de la hauteur de chaque transaction individuelle ou du nombre de transactions, ou de la composition des transactions : le total perte/gain à la fin de la journée est ce que vous avez gagné ou perdu ce jour là… Dans ce cas, il y a une perte continue de CO2 (en quantité !) ajouté par les humains, ce qui signifie que tous les flux naturels de CO2 en/hors atmosphère ensemble sur une année pleine donne une addition nette nulle à l’atmosphère : la nature agit comme un puits pour le CO2 anthropique…

Comme montré au chapitre 1, il n’est pas douteux que les hommes sont pleinement responsables de l’essentiel de l’accroissement du CO2 dans le siècle passé (au moins la moitié), ce qui signifie que – dans la mesure ou le CO2 a une influence sur la température – les hommes doivent être responsables d’une partie de l’augmentation de température. De combien c’est une autre question car cela dépend principalement de la rétroaction (positive ou négative) suivant toute augmentation de température…

4. Références

[1] Carbon dioxide emissions inventory from the US Department of Energy (DOE):
http://www.eia.doe.gov/pub/international/iealf/tableh1co2.xls
updated for recent years at:
http://www.eia.gov/cfapps/ipdbproject/IEDIndex3.cfm?tid=90&pid=44&aid=8

[2] Yearly averaged carbon dioxide concentrations at Mauna Loa Observatory, Hawaii, 1958 to last full year, NOAA:
ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/trends/co2_annmean_mlo.txt

[3] Global Carbon Sinks and Their Variability Inferred from Atmospheric O2 and d13C, Battle ea., Science, Vol. 287 31 March 2000.
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/287/5462/2467.pdf can be viewed with a free subscription at Science.
More up-to-date (up to 2002) by Bender e.a.:
http://www.bowdoin.edu/~mbattle/papers_posters_and_talks/BenderGBC2005.pdf

[4] Uptake and Storage of Carbon Dioxide in the Ocean: The Global CO2 Survey, Feely e.a. on the NOAA pages: http://www.pmel.noaa.gov/pubs/outstand/feel2331/exchange.shtml

[5] The 13C cycle in nature, Anton Uriarte Cantolla. Some of the figures and text are from the book  » Earth’s Climate History » (e-book).
More info about stable isotopes in nature, food and humans at:
http://www.physics.utoronto.ca/students/undergraduate-courses/course-homepages/jpa305h1-310h1/stableisotopes.pdf

[6] Atmospheric Carbon Dioxide and Carbon Isotope Records at CDIAC: http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/contents.htm
More data at the « carbon tracker »: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/dv/iadv/

[7] Evidence for preindustrial variations in the marine surface water carbonate system from coralline sponges, Böhm ea., GEOCHEMISTRY GEOPHYSICS GEOSYSTEMS, 2002.
http://www.agu.org/pubs/crossref/2002/2001GC000264.shtml

[8] The Carbon Cycle and Atmospheric Carbon Dioxide, IPCC TAR, Chapter 3, page 206, fig. 3.4 http://www.grida.no/climate/IPCC_tar/wg1/pdf/TAR-03.PDF

[9] The acidification of the oceans, according to Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Ocean_acidification#cite_note-key04-1
Based on investigations done by Key e.a. and Orr e.a.

[10] Trends of ocean pH, DIC, pCO2,… data at Bermuda in fig. 5 of Battle e.a.

[11] Ice core data from NOAA: http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/icecore/current.html

[12] Etheridge e.a., GRL 1996, Natural and anthropogenic changes in atmospheric CO2 over the last 1000 years from air in Antarctic ice and firn: http://www.agu.org/pubs/crossref/1996/95JD03410.shtml

[13] Wood for Trees plot tool for different temperature series vs. CO2 data, http://www.woodfortrees.org/plot/

[14] Calculations by Peter Dietze at the web site of the late John Daly: http://www.john-daly.com/carbon.htm

Dernière mise à jour: 24 Novembre 2015.

308 Comments     Poster votre commentaire »

301.  scaletrans | 12/12/2019 @ 18:26 Répondre à ce commentaire

prof (#299),
Et quelle marge d’incertitude vont nous donner ces 100 modèles ? Pour les CMIP5 on en était à 300 %… laugh

302.  BenHague | 12/12/2019 @ 18:50 Répondre à ce commentaire

prof (#299),
Ben Bjorn Stevens n’est pas d’accord avec Carbon Brief ..

Et personnellement je fais plus confiance á un expert dans les modéles qu’á Carbon Brief ( jusqu’a present Zeke Hausfather n’est pas modelisateur que je saches …) . Pas vous ?
https://www.pnas.org/content/pnas/early/2019/11/26/1906691116.full.pdf

303.  prof | 12/12/2019 @ 20:13 Répondre à ce commentaire

scaletrans (#300),

Vous en avez beaucoup en réserve de ce calibre ? Vous ne semblez pas comprendre grand-chose de la modélisation…

304.  papijo | 12/12/2019 @ 20:44 Répondre à ce commentaire

prof (#302),
Au fait, que veut dire cette phrase de la conclusion de votre article:

… a number of prominent climate models may be getting climate sensitivity wrong, a question that many climate scientists are focusing on resolving. …

305.  AntonioSan | 12/12/2019 @ 20:45 Répondre à ce commentaire

prof (#299),

CMIP6 models available to-date have tended to show notably higher climate sensitivity than CMIP5 models. While only 31 CMIP6 models currently have the runs needed to calculate ECS, around a third of those have an ECS higher than the upper end of the likely range – 1.5C to 4.5C – provided in the IPCC AR5.

Says it all…

306.  scaletrans | 12/12/2019 @ 21:45 Répondre à ce commentaire

prof (#301),
J’en ai fait alors que vous n’étiez peut-être même pas à l’état de projet.

307.  prof | 12/12/2019 @ 22:08 Répondre à ce commentaire

scaletrans (#304),

C’est cela oui, il y a suffisamment longtemps que je lis ce site pour savoir que vous n’êtes pas scientifique…

308.  BenHague | 12/12/2019 @ 22:24 Répondre à ce commentaire

prof (#306),

Les résultats des modèles CMIP6 sont tellement probant qu’ils ne vont sans doute pas être inclus dans l’AR6 … c’est dire .. D’ailleurs Gavin Schmidt aussi se fait du soucis (j’allais dire cheveux blancs …)
http://www.realclimate.org/ind.....lassified/

Mais bon , prof est sans doute un avatar de Tricastin , Robert & co …..