Centrale-Énergies

Faut-il électrifier la mobilité ? (Flash n°55)

Cédric Ringenbach (ECN 96) — 2017-06-01T10:04:00Z

L'Allemagne envisage d'interdire les voitures thermiques d'ici 2030. Le Maroc, qui a hébergé la COP22 a commencé à électrifier des bus à Casablanca. Même en Chine, on parle de véhicules électriques. Tout cela est-il bien raisonnable ? La voiture électrique a une image écolo que personne ne questionne alors que son impact sur le climat dépend complètement de la teneur en carbone de l'électricité qui l'alimente.

L'humain est ainsi fait qu'il se déplacera toujours d'autant plus qu'il en a les moyens. La mobilité, c'est sacré. C'est presque un droit de l'homme. Toucher au droit de se déplacer, c'est toucher à la liberté individuelle. Et pire : toucher à la voiture, c'est toucher au statut social. Conséquence : la mobilité n'a presque pas été abordée par le Grenelle de l'environnement ni par la loi de transition énergétique.

L'idée que le véhicule électrique (VE) est écolo est une belle légende, très profondément ancrée dans les esprits et on ne remet presque jamais en question cette légende. En fait, il peut l'être, mais ce n'est pas du tout automatique. On va voir que la voiture électrique peut être la meilleure ou la pire des choses pour le climat.

Zéro émissions ?

On dit que les voitures électriques sont « zéro émissions », mais c'est un gros raccourci. Elles ne font pas d'émissions localement, mais pour être vraiment neutres en carbone, il faudrait qu'elles fonctionnent avec une électricité décarbonée.

Explication : prenez l'exemple d'une voiture A (à essence) et d'une voiture B (électrique) qui roulent toutes les deux dans un pays dont le mix électrique imaginaire est constitué de centrales thermiques au fuel (on en voit peu, car c'est du gâchis de mettre du fuel dans ces centrales thermiques, mais bon, imaginons…). On a ainsi quelque chose de comparable au niveau de la densité énergétique.

La voiture A brûle de l'essence pour fonctionner car elle a un moteur à explosion. C'est cette explosion qui dégage du CO2.

La voiture B n'émet pas une seule molécule de CO2 quand elle roule, mais pour produire l'électricité qui l'alimente, on a fait tourner une centrale thermique qui brule du fuel, ce qui émet du CO2. Donc la voiture B est responsable d'émissions de CO2 dites « indirectes ».

A première vue, les émissions sont du même ordre de grandeur. Le moteur à explosion a un plus mauvais rendement que celui de la centrale thermique, mais le transport de l'électricité coûte également de l'énergie. Admettons que cela s'équilibre.

Dans la réalité, les centrales électriques fonctionnent plutôt au charbon (qui fait plus de CO2 que le fuel), au gaz (qui en fait moins), ou aux énergies bas carbone comme le renouvelable et le nucléaire (qui, pour faire simple, n'en font pas).

Pour donner un ordre de grandeur : avec un mix représentatif du mix électrique mondial, une voiture électrique émet autant de CO2 qu'une voiture thermique. Une voiture électrique qui roule en France, en Suisse ou en Norvège (avec un mix peu carboné), émet moins qu'une voiture à essence. A contrario, une voiture électrique en Allemagne, au Maroc, en Chine, ou, pire, en Pologne, émet plus de CO2 qu'une voiture thermique à cause des émissions indirectes du mix carboné de ces pays.

Il n'y a pas que le carbone

Le véritable avantage écologique du Véhicule Electrique, c'est de ne pas émettre de particules fines, qui sont une pollution locale (et on pense tout de suite à Shanghai ou Pékin) et de faire moins de bruit qu'une voiture thermique.

En réalité, c'est plutôt pour ces raisons-là qu'on les déploie. Les villes qui privilégient le VE savent que leurs concitoyens en tireront un vrai bénéfice en termes de confort et de santé.

Un autre avantage est d'ordre économique : la voiture électrique est encore un peu chère à l'achat, mais par la suite elle est économe à l'utilisation. Et je ne sais pas si vous avez remarqué cela : on a tendance à considérer comme très écologique quelque chose qui ne coûte pas cher !!

La voiture électrique, donc, ne coûte presque rien en énergie. Non pas qu'elle en consomme moins (en énergie primaire, c'est comparable), mais l'électricité n'est pas taxée comme le sont l'essence et le gasoil. Par conséquent, une grande transition vers le VE est un manque à gagner pour l'état et on peut parier que cela changera dès que les ventes exploseront. L'état taxera l'électricité ou les voitures, ou encore leur batterie, car il faudra bien compenser la perte.

Oui, mais avec du photovoltaïque ?

Revenons au carbone. Certains pays, donc, veulent des voitures électriques y compris des pays qui ont des mix électriques tellement carbonés, qu'une voiture électrique émet plus de CO2 du puits à la roue qu'une voiture thermique !

Arrêtons d'être rabat-joie, me direz-vous, il suffit de s'équiper de panneaux solaires et d'alimenter sa voiture avec. C'est vrai. Mais cela est quand-même un peu une vue de l'esprit. En effet, si vous habitez en Allemagne, et que vous achetez 10 m² de panneaux PV et une voiture électrique, vous pouvez alors dire que votre voiture est écolo. Mais que se serait-il passé si vous aviez acheté 10 m² de PV et gardé votre voiture thermique ? Vous n'auriez pas de voiture écolo, certes, mais vos panneaux PV effaceraient alors intégralement des moyens de production carbonnés et votre bilan carbone serait meilleur qu'avec une voiture électrique. Et c'est bien cette comparaison qu'il faut faire, si on veut être honnête intellectuellement.

De plus, à l'échelle d'un pays, personne n'a en charge de garantir que suffisamment d'électricité verte sera produite pour absorber le besoin nouveau en électricité généré par l'électrification de ces usages. Et certainement pas les constructeurs automobiles. Ces derniers mettent des panneaux PV partout dans leurs brochures, mais beaucoup moins sur les toits ! Quand leurs ventes s'envoleront, ils expliqueront sans le moindre scrupule que ce n'est pas à eux de fournir l'électricité propre.

Faut-il alors jeter la voiture électrique aux orties ?

Pas du tout, car elle a un rôle indispensable dans la transition. Tous les scénarios qui sont compatibles avec un réchauffement inférieur à 2°C (les scénarios RCP2.6 du GIEC [1]) comportent un volet électrification de la mobilité. Il y a donc bien de la voiture électrique dans les scénarios 2°C du GIEC. Pourquoi ? Tout simplement parce qu'il est plus facile de décarboner l'électricité que les carburants liquides.

Maintenant qu'on a compris tout cela, on se dit qu'il serait plus logique de décarboner le mix électrique avant d'électrifier le transport, n'est-ce pas ? Alors, pourquoi lancer ces programmes d'électrification si vite ?

Il y a une vraie raison à se lancer dès maintenant dans l'électrification de la mobilité, voire d'autres usages, c'est que renouveler le parc prend du temps et qu'il ne faut peut-être pas attendre d'avoir complètement décarboné le mix pour le faire. La vitesse de rotation d'un parc de véhicule est de l'ordre de 17 ans, mais les changements d'habitude et l'adaptation des infrastructures sont encore plus longs.

De plus, le chargement des batteries est une consommation « pilotable » d'électricité : on peut brancher sa voiture quand elle est à l'arrêt et mettre en place un système intelligent qui la charge quand l'énergie renouvelable est disponible sur le réseau. Comme le caractère variable, prévisible, mais non contrôlé de certaines énergies renouvelables va poser problème quand elles seront devenues prépondérantes, toute consommation pilotable est la bienvenue.

L'argument qu'il faudra plusieurs dizaines d'années pour passer au VE et qu'il faudra tout autant de temps pour décarboner le mix, et que donc, on est contraint de faire les deux en même temps est un argument qui se défend très bien.

Mais j'y opposerais deux choses :

D'abord, on risque de passer à côté de l'occasion de réduire la consommation d'énergie du transport. Les émissions du transport sont le produit du nombre de km parcourus, de l'énergie dépensée par km, et de l'intensité carbone de l'énergie.

Faisons un parallèle, qui vaut ce qu'il vaut, avec le logement : on a intérêt à isoler sa maison avant de changer de chaudière, afin de ne pas se retrouver avec une chaudière surdimensionnée. Si on a divisé par 4 le besoin de chauffage, on peut acheter une chaudière quatre fois plus petite.

De la même façon, pour le transport, je préconiserais de s'attaquer dans un premier temps à la réduction des km parcourus, au taux de remplissage des véhicules, ainsi qu'à leur efficacité (énergie par km) voire à leur sobriété (des voitures plus légères et moins rapides). Toutes ces actions vont avoir pour effet de réduire la consommation d'énergie et donc les émissions de CO2 au cours du temps, même si cela ne permet pas d'arriver à zéro. Quand on aura tout divisé par deux ou trois, il sera temps de passer au dernier terme de l'équation : décarboner l'énergie.

Je suis d'accord que cet argument est fragile et qu'il y a un problème de dynamique : comme tous ces changements prennent du temps, il faudrait probablement tout faire en parallèle pour avoir une chance d'y arriver en 2050 !

Ce n'est pas faux, mais voici la raison qui me fait vraiment hésiter, mais alors vraiment beaucoup, à pousser trop vite l'électrification de la mobilité.

Il y a de la voiture électrique dans les scénarios 2°C, mais il y en a aussi dans les scénarios 5°C. Voici pourquoi.

Le peak oil, c'est maintenant. On peut débattre de la date exacte, mais que ce soit en 2006 (AIE) ou 2037 (DOE), cela ne change pas le raisonnement à l'échelle du siècle. Or, le pétrole est l'énergie reine pour le transport, et le transport est le sang de l'économie. Sans transport, pas de PIB, pas d'activité économique et… pas d'émissions de GES ! Pour atteindre des niveaux élevés d'émission, il faut donc un système de transport qui se passe progressivement du pétrole. Et comment ? Avec l'électricité évidemment ! Pas celle issue des énergies renouvelables, mais plutôt celle des centrales à charbon. C'est à cette condition que l'on peut atteindre les niveaux d'émissions des scénarios RCP8.5 du GIEC qui amènent à +5°C.

Ma conviction intime est que si on n'a pas une économie qui s'est affranchie du pétrole grâce à l'électricité « charbonnée » et à la mobilité électrique, quand le pétrole viendra à manquer on n'aura plus un outil industriel efficace et organisé pour aller chercher les dernières tonnes de charbon.

« S'affranchir du pétrole », ça sonnait bien, pourtant ? Si c'est pour sauver le climat, oui. Si c'est juste pour sauver l'économie, ça peut être pire que tout : imaginez 500 millions de voitures électriques en Chine, avec une électricité qui se décarbone au rythme actuel (c'est-à-dire largement pas assez rapidement). C'est une arme de destruction massive du climat.

Nous sommes donc devant un pari à la Pascal :

Si je suis optimiste, j'estime que j'ai le choix entre un scénario médian et un scénario bas, que dois-je choisir ? Celui du bas, évidement ! Et pour cela, j'électrifie la mobilité en même temps que je décarbone mon électricité.

Mais si je suis pessimiste, que je pense avoir le choix entre le scénario RCP8.5, qui est le pire du pire (+5°C) et un scénario médian, que dois-je choisir ? Je choisis évidemment le scénario médian en restreignant la mobilité. Et pour cela, aussi paradoxal que cela puisse paraître, je décide de ne pas développer la voiture électrique, quitte à être un peu gêné dans ma mobilité au cours du siècle, et à devoir relocaliser un peu mon économie (mais on devrait pouvoir s'en sortir).

Toute la question est donc de savoir si on a à choisir entre le bas et le milieu (on est optimiste) ou entre le milieu et le haut (on est pessimiste). Sommes-nous plutôt devant un choix entre +2°C et +3°C ou devant un choix entre +3°C et +5°C ?

Un indice : pour le moment, on est sur une trajectoire haute…

Donc philosophons à loisir sur la nécessité d'être optimiste ou pessimiste pour déclencher le changement (et j'ai des bonnes bouteilles chez moi pour ça), mais dans tous les cas, il faudrait attendre d'avoir vraiment enclenché la transition pour parler de voiture électrique et tous les pays devraient avoir comme règle de ne jamais déployer de véhicules électriques avant d'avoir suffisamment décarboné leur mix, pour qu'ils soient au moins à parité avec les véhicules thermiques, au regard des émissions de CO2. C'est plus sûr.

[1] RCP2.6 : Representative Concentration Pathing ou Trajectoire Représentative de Concentration basée sur le forçage radiatif en 2100 en W/m2

Retrouvez également cet article dans le Flash n°55.

COP21 : faut-il applaudir l'accord de Paris ?

Cédric Ringenbach (ECN 96) — 2016-02-01T22:22:00Z

Préambule

Pendant un an avant la COP, les équipes du Ministères des Affaires Etrangères (MAE), mais également les autres ministères, ainsi que Nicolas Hulot ont parcouru la planète pour préparer le terrain et faire bouger les lignes.

Les négociations ont démarré le 30 novembre avec un ballet de chefs d'états venus donner le ton. La première semaine a été consacrée à des questions techniques dont seuls les diplomates débattaient. Tout le travail consistait à supprimer les différentes options présentes dans le texte. Les ministres sont arrivés en deuxième semaine avec comme mission de trancher les derniers points (lesquels étaient en réalité encore beaucoup trop nombreux).

Le 12 décembre, on se donne rendez-vous vers 17h pour l'approbation en assemblée générale. Après 19h, avec plus de deux heures de retard, la séance est ouverte pour la cérémonie d'adoption. Pendant les quelques minutes qui ont précédé le coup de marteau une liste de modifications « techniques » au texte est annoncée par le secrétaire exécutif adjoint de la CCNUCC (Convention Cadre des Nations-Unies sur le Changement Climatique). Parmi ces modifications, un shall est devenu should.

“Shall" in Art 4.4 was an error. Replace with “Should".

Si on avait laissé le mot « Shall » le texte aurait été considéré comme ayant un caractère contraignant et les Etats Unis ne l'auraient alors probablement pas ratifié et il y a fort à parier que la Chine non plus. Le texte ne pouvait alors mathématiquement pas entrer en vigueur, privé de deux pays représentant plus de la moitié des émissions mondiales.

Maintenant, que penser de cet accord ?

Le texte est composé de deux parties : une « décision d'adoption », non soumise à ratification par les Etats, qui a été formellement prise en assemblée générale de la COP et, en annexe, « l'accord de Paris » qui doit être signé par les pays au siège de l'ONU entre le printemps 2016 et le printemps 2017 et ratifié par au moins 55 pays représentant 55% des émissions pour entrer en vigueur. Tout ce qui est dans la « décision » est considéré comme moins contraignant que ce qui est dans l'accord.

La température à ne pas dépasser

Il faut retenir que le texte renforce l'objectif de 2°C pour la hausse des températures en 2100, tout en évoquant celui de 1,5°C. Ce chiffre de 1,5°C est en réalité une concession diplomatique à destination des pays insulaires qui ont déjà les pieds dans l'eau. Malheureusement pour eux, cet objectif est pratiquement inatteignable. Un rapport spécial sera cependant demandé au GIEC pour répondre à cette question.

La trajectoire des émissions

Pour ce qui est du contenu de l'accord, il n'est pas suffisant pour aller vers 2°C : le pic des émissions doit arriver « dès que possible » (sic), ce qui est un peu vague, et l'objectif ensuite est la « neutralité carbone » quelque part pendant la 2e moitié du XXIe siècle. Cette neutralité carbone est définie comme la compensation exacte des émissions par les puits anthropiques (comme la séquestration du carbone).

Certains regretteront cette porte ouverte à la séquestration du carbone mais le GIEC est formel sur le sujet : aucun scénario ne permet de faire le 2°C sans cette technologie !

Ces objectifs de long terme sont-ils compatibles avec les engagements des pays ?

Loin de là. L'ensemble des engagements des pays qui ont été déposés, avant fin octobre pour la plupart, nous mettent sur une trajectoire de 3°C. Ce qui est important, dès lors, c'est d'avoir un rythme de rencontres et de réajustements suffisamment soutenu.

Révision des engagements

Les engagements des pays seront revus tous les 5 ans, et cette révision sera toujours à la hausse. Le premier bilan interviendra dès 2018 et servira de base pour le cycle de révision de 2020 /2025.

L'accord prend acte qu'il y a un écart entre les objectifs et les trajectoires dessinées par les INDC des états (Intended Nationally Determined Contribution). Les pays ayant soumis une INDC à horizon 2025 sont invités à en proposer une nouvelle d'ici 2020 puis tous les 5 ans. Ceux avec INDC à 2030 y sont obligés.

Il semblerait cependant qu'une « coalition » de pays les plus ambitieux ait convenu hors accord d'une révision plus rapide des engagements.

Le financement

Nœud très sensible de la négociation : le financement. Objectivement, il ne peut pas y avoir d'accord sur le climat sans une contribution financière significative du Nord vers le Sud. Et cette contribution revêt plusieurs formes et plusieurs objets. Tout d'abord une aide à la transition car les pays émetteurs de demain ne sont pas les mêmes qu'aujourd'hui. On ne peut pas sauver le climat en mettant d'accord uniquement les 10 pays responsables de 70% des émissions. Les pays en développement vont leur passer devant très vite et il faut donc les aider à faire leur développement sur des bases propres. Ensuite, les pays du Sud sont plus victimes que le Nord des conséquences du changement climatique alors qu'ils n'en sont pas responsables. Ils peuvent légitimement demander à ce qu'on les aide à s'adapter pour faire face aux conséquences futures. Pour la même raison, ils demandent également (troisième point) à être indemnisés (d'où le terme « pertes et dommages ») pour les conséquences présentes et futures du dérèglement climatique.

Le texte évoque un chiffre qui a été proposé par le président Obama à Copenhague, un peu au hasard : 100 Milliards de dollars par an à partir de 2020. Mais ce qu'il recouvre n'est pas bien clair. Initialement, c'était un montant qui devait couvrir l'adaptation mais un glissement s'est produit et il est maintenant évoqué pour l'atténuation alors que le bon ordre de grandeur est plutôt de 1000 Milliards de dollars sur l'ensemble de la planète dont une bonne partie (plusieurs centaines de milliards) devraient aller du Nord vers le Sud. Mais regardons le verre à moitié plein : nous sommes partis de rien et le processus de nouvelles rencontres inclut également les engagements financiers. Nous ne sommes pas à l'abri d'un progrès de ce côté.

Les mots-clés que les ONG auraient aimé voir

Les « énergies renouvelables » sont tout juste citées dans le préambule du projet de « décision » comme un moyen de permettre l'accès à l'électricité en Afrique. Les ONG auraient aimé les voir apparaître plus largement dans l'accord de Paris. Il faut savoir que même les mots « énergie » et « carbone » sont quasiment absents du texte.

L'accord de Paris concerne le climat, il parle donc d'émissions de Gaz à Effet de Serre (GES), c'est logique. Le dioxyde de carbone représente 75 % des GES et malgré cela, il n'est cité que 5 fois. Les énergies fossiles qui font 65% des GES : zéro occurrence ! Ceci étant probablement dû à l'influence de pays gros producteurs de pétrole. Même l'unité de mesure des GES, la « tonne équivalent CO2 », n'y figure pas ! On voit un chiffre de 55 gigatonnes de… « gaz », sans plus de précision !

Quant aux énergies renouvelables, il est logique de ne pas en parler d'une part parce qu'on ne parle pas d'énergie, autant être cohérent ; d'autre part, le sujet étant le climat, si on parle d'énergie, la solution est dans les énergies bas carbone que sont les renouvelables ET le nucléaire. Or si sur le climat il n'y a plus de débat, sur le nucléaire, il y en a un.

Et si le texte de la « décision » parle des énergies renouvelables dans les pays en développement, et notamment en Afrique, c'est parce que tout le monde s'accorde à ne pas vouloir aller y développer le nucléaire. Mais ailleurs, ce sera à chaque pays de prendre ses responsabilités, n'en déplaise aux anti-nucléaires. Les ONG essaient chaque année de faire de la COP un terrain de bataille contre le nucléaire, ce n'est simplement pas le lieu.

Un accord contraignant ?

Du point de vue du droit international, l'accord n'est pas contraignant. Mais en introduisant des notions de transparence, il force les états à rendre compte à leur opinion publique et au reste du monde de leurs avancées. C'est pour cette raison qu'il est quand-même considéré comme contraignant par les politiques.

Source : http://unfccc.int/resource/docs/2015/cop21/eng/l09r01.pdf

Retrouvez également cet article dans le Flash n°48.

L'effet de serre atmosphérique

Cédric Ringenbach (ECN 96), Christiane Drevet (ECN 65) — 2014-04-01T20:29:00Z

Nous reprenons ici l'excellente étude didactique de Jean-Louis Dufresne et Jacques Treiner relative à l'effet de serre atmosphérique (réf 1).

Dans cet article, les auteurs montrent par un raisonnement simple que, malgré la saturation de l'absorption des infrarouges réémis par la planète par les molécules de gaz à effet de serre (GES), cet effet de serre continue cependant de croître (élévation de la température de surface terrestre), lorsque la concentration de ces GES augmente (c'est le cas du CO2 dans les conditions actuelles). Le mécanisme principal à l'œuvre est le gradient vertical négatif des températures de bas en haut de l'atmosphère, qui y est régi par des échanges convectifs adiabatiques (c'est à dire sans échange thermique avec l'air environnant, l'échelle de temps de la convection étant bien inférieure à celle de la conduction thermique). Le modèle simple utilisé ici permet de « toucher du doigt » le mécanisme physique qui est à l'œuvre dans les codes de calcul radiatifs détaillés « maille à maille » des spécialistes du climat, repris dans les rapports successifs du GIEC.

I) Modèle de l'effet de serre atmosphérique parfait

Dans ce premier modèle, destiné à montrer la nature et la réalité de l'effet de serre terrestre, plusieurs hypothèses simplificatrices ont été prises :

– L'atmosphère est à température homogène et laisse passer l'essentiel du rayonnement solaire incident et réfléchi par la terre.
– les gaz à effet de serre dans l'atmosphère (GES) absorbent la totalité du rayonnement infrarouge réémis par la terre.
– les molécules de GES renvoient à leur tour vers la terre et l'espace leur propre rayonnement infrarouge, sans atténuation.
– les émissions infrarouges de la terre vers l'atmosphère et des GES de l'atmosphère vers l'espace et la terre se font selon la loi de puissance du corps noir en σT4, avec T température des zones émissives en °K (Kelvin) et σ constante de Stefan-Boltzmann.

Si S est la puissance émise par le soleil et arrivant sur le système atmosphère-terre ;

Si A est l'albédo mesuré de la terre pour le rayonnement solaire incident (rapport entre la puissance réfléchie vers l'espace et la puissance incidente), AS étant ainsi la puissance réfléchie par la terre vers l'espace ;

Et si Ta et Ts sont les températures respectives de l'atmosphère et de la surface terrestre, on a, à l'équilibre, égalité des puissances aux interfaces :

– à l'interface atmosphère-espace

(1-A) S = σTa⁴

– à l'interface atmosphère-surface terrestre

(1-A) S+ σTa⁴ = σTs⁴, soit 2 σTa⁴ = σTs⁴

La température d'équilibre de surface terrestre Ts est 2 puissance 1/4 fois plus élevée que celle de l'atmosphère Ta.

Application numérique :

La valeur généralement admise pour la puissance moyenne incidente solaire est : S = 342 W/m2. L'albédo de la terre A a été mesuré et est pris égal à 0,30. Il en résulte Ta = -18°C, Ts = 30°C.

Cette élévation de température d'équilibre de la sur-face de la terre est ce que l'on appelle communément effet de serre dû à l'atmosphère. En effet, en l'absence d'atmosphère, Ts = Ta = -18°C, pour un même albédo terrestre de 0,30. On constate qu'à ce stade, n'interviennent ni la nature et les concentrations des divers GES, ni la hauteur de l'atmosphère. La valeur de 30°C est surestimée du fait des hypothèses simplificatrices prises (elle est plus exactement de 15°C environ), mais elle permet de comprendre qualitativement la nature du phénomène.

En réalité, l'atmosphère n'est pas totalement transparente aux rayonnements solaires incident et réfléchi, elle n'est pas opaque complètement au rayonnement terrestre infrarouge, sa température n'est pas homogène, car elle diminue lorsque l'altitude augmente. Ce sont ces principaux effets qui vont être maintenant repris, après un retour sur les propriétés d'absorption des molécules H2O et CO2, premières responsables comme nous allons le voir de l'effet de serre atmosphérique.

II) Principaux gaz à effet de serre de l'atmosphère terrestre – H2O et CO2

Les résultats des codes radiatifs complets mis en œuvre par les spécialistes du climat montrent que les deux principaux gaz à effet de serre (GES) dans l'atmosphère terrestre sans nuages sont la vapeur d'eau H2O (pour 60%) et le dioxyde de carbone CO2 (pour 26%). Les autres contributions sont celles de l'Ozone (pour 8%) et de l'ensemble protoxyde d'azote N2O et méthane CH4 (pour 6%). Les auteurs se sont donc focalisés à juste titre dans leur étude sur les molécules H2O et CO2.

III) Propriétés d'absorption par H2O et CO2 du rayonnement infrarouge émis par la terre

1) Dépendance spectrale de l'absorptivité des molécules H2O et CO2

Les figures 1 et 2 représentent la dépendance spectrale de l'absorptivité de H2O et CO2 dans une atmosphère actuelle et sans nuages, dans la gamme spectrale de l'essentiel de l'émission infrarouge de la terre (4 à 40 µm). Les variables y sont également les concentrations en CO2 (en ppm) et en vapeur d'eau H2O en kg/m2 (moyennée sur toute la hauteur de l'atmosphère et par unité de surface terrestre).

On y constate trois faits :

– Pour le CO2 en rouge (fig1), l'absorptivité est totale ou saturée (égale à 1) dans 2 bandes autour de 5 et 15 µm. Ailleurs, elle est quasi-nulle. Elle ne varie pas avec la concentration de CO2, de 180 ppm (valeur en vigueur lors des périodes glaciaires) à 720 ppm, qui est presque deux fois la concentration actuelle (400 ppm).

Pour la vapeur H2O en bleu (fig 1), l'absorptivité est totale dans la plage 5-8 µm, et au-delà d'environ 16 µm. Ailleurs, dans la plage 8-16 µm, elle est largement inférieure à 1 mais varie avec la concentration de vapeur d'eau dans l'atmosphère terrestre (cette valeur est actuellement de 25 kg/m2). En faisant varier (fig2) cette moyenne de 5 à 40 kg/m2, qui couvre la gamme des valeurs observées entre les différentes latitudes, on constate en effet un accroissement de l'absorptivité, permettant un accroissement de l'effet de serre dû à ce gaz, dans cette gamme de fréquence des infrarouges.

– L'examen des absorptivités comparées de H2O et CO2 (fig 1) montre bien que c'est H2O qui est dominant dans l'effet de serre résultant. Par contre, c'est bien le CO2 qui est la cause de l'augmentation anthropique de l'effet de serre, le H2O n'augmentant en proportion que très peu avec les activités humaines, par rapport aux valeurs pré-industrielles.

2) Absorptivités de H2O et CO2 intégrées sur le spectre d'émission infrarouge de la terre

Les figures 3 et 4 représentent les absorptivités de H2O et de CO2 en fonction de leur concentration dans l'atmosphère, obtenues en pondérant l'absorptivité à chaque longueur d'onde par le flux du rayonnement émis par la surface de la terre à cette longueur d'onde. Le spectre d'émission terrestre par mètre carré de sol est représenté par une courbe en cloche de corps noir à 25°C, d'émission maximum à 10 µm.

– Pour H2O, la figure 3 montre que l'absorptivité intégrée augmente avec la quantité moyennée sur la verticale de la vapeur d'eau, exprimée en kg/m2, grâce à l'augmentation de l'absorptivité dans la fenêtre d'absorption faible de la gamme 8-16 µm. En deçà des 2 kg/m2, où les bandes d'absorption entre 6 et 8 µm et au-delà des 16 µm ne sont pas encore saturées, la pente est encore plus forte. Il en résulte de toute façon une augmentation de l'effet de serre avec la concentration en vapeur d'eau, comparable à celle que l'on obtient avec les modèles radiatifs détaillés.

– Pour le CO2, la figure 4 montre qu'au-delà de la valeur à laquelle l'absorption par la bande à 15 µm devient saturée (quelques dizaines de ppm), l'absorptivité intégrée n'augmente plus avec la concentration de CO2, alors que les modèles radiatifs détaillés montrent une augmentation de l'effet de serre. Nous verrons plus loin où est l'erreur.

IV) Accroissement de l'effet de serre pour une atmosphère dont l'absorptivité est saturée

Pour raisonner simplement, les auteurs ont choisi le cas d'école d'une atmosphère où l'absorptivité des GES est saturée dans tout le domaine spectral de l'émission infrarouge terrestre, et où ce rayonnement infrarouge émis par la terre est totalement absorbé par les basses couches de l'atmosphère.

1) Notion d'altitude d'émission de l'atmosphère

Prenons le cas de référence où l'atmosphère peut être décomposée en 2 grandes couches, comme sur la figure 5 a) : la première aux basses altitudes où le rayonnement infrarouge réémis par les GES n'atteint jamais l'espace, car il est absorbé totalement par les couches situées au-dessus. Cette zone est dite aveugle pour l'espace. Dans la 2nde partie, les rayonnements élémentaires réémis par les différentes sous-couches atteignent l'espace de façon partielle, mais d'autant moins atténués que ces sous-couches sont proches de l'espace. La somme de ces rayonnements, Fir, constitue le rayonnement global infrarouge envoyé par l'atmosphère vers l'espace, c'est celui qui est vu par les radiomètres à bord des satellites. A cette puissance Fir, on peut associer une température Te d'émission de corps noir, et définir ainsi « l'altitude d'émission » Ze comme celle où la température de l'atmosphère est justement Te. Sur terre, cette altitude d'émission est de 3 à 8 km pour les domaines spectraux correspondant aux bandes saturées de H2O et du CO2.

2) Accroissement de l'altitude d'émission avec la concentration de GES

Sur la figure 5 b), du fait de l'augmentation de concentration des GES par rapport au cas de référence, le rayonnement infrarouge réémis par ces GES est absorbé sur des distances plus courtes que précédemment. La partie de l'atmosphère aveugle augmente, et l'altitude d'émission augmente. En raison du gradient thermique de l'atmosphère (imposé par les mouvements convectifs adiabatiques), la température d'émission diminue, ainsi que la puissance du rayonnement infrarouge réémis vers l'espace.

3) Accroissement de l'effet de serre avec la concentration de GES

Nous sommes maintenant prêts à réécrire l'équilibre des puissances, comme dans le chapitre II) relatif à l'effet de serre atmosphérique parfait, mais cette fois aux altitudes d'émission de l'atmosphère à l'équilibre.

– Dans le cas de référence, on peut ainsi écrire à l'équilibre : FS = (1-A) S = Fir1 = σT₁⁴. On retrouve alors le résultat T1 = -18°C, du cas de l'effet de serre atmos-phérique parfait, mais cette fois correspondant à l'altitude Z1 de l'atmosphère, qui n'est plus homogène (figure 6 a).

– Dans le cas où la concentration de GES augmente, on a vu que l'altitude d'émission change, prenant une valeur Z₂ supérieure à Z₁, alors que la température d'émission diminue, prenant une valeur T2 inférieure à T1. A cette altitude, la puissance incidente FS = (1-A) S devient alors supérieure à la puissance infrarouge réémise vers l'espace Fir2 = σT₂4, et on a maintenant à l'altitude Z2 un déséquilibre des puissances (figure 6 b). En conséquence, le haut de l'atmosphère se réchauffe, et du fait des mouvements de convection adiabatique, ce réchauffement se propage à toute l'atmosphère, y compris à la surface terrestre, tout en conservant constant le gradient vertical de température, jusqu'à ce qu'un nouvel équilibre des puissances soit atteint (figure 6 c).

Il y a bien dans ce cas augmentation de l'effet de serre, puisque toutes les couches de l'atmosphère, y compris la surface terrestre (à l'altitude zéro) voient leur température augmenter.

V) Conclusion

Nous venons d'expliquer physiquement pourquoi l'effet de serre anthropique dû au CO2 croît quand sa concentration augmente dans l'atmosphère, alors que son absorptivité aux fréquences infrarouges de réémission terrestre y est saturée.

L'absorptivité du CO2 émis dans l'atmosphère par les activités humaines (origine dite anthropique) étant saturée aux conditions actuelles, une analyse au premier degré aurait pu conclure à une saturation de son émissivité, et partant, de l'effet de serre, lorsque sa concentration augmente. Mais ceci est en contradiction avec les calculs radiatifs détaillés maille à maille élaborés par les spécialistes du climat.

Jean-Louis Dufresne et Jacques Treiner ont alors réussi à montrer, grâce au modèle simplifié qu'ils ont établi dans une publication récente (réf 1) et repris ici, que le mécanisme physique à l'œuvre expliquant cette réalité physique est bien la convection adiabatique dans les couches de l'atmosphère, résultant en un gradient de température vertical négatif constant des hautes pressions (la surface terrestre) vers les basses pressions (la haute atmosphère).

Dans les évaluations numériques radiatives complètes des codes prospectifs d'évaluations de l'effet de serre, codes repris dans les rapports du GIEC, bien d'autres facteurs ignorés sciemment dans le modèle simplifié des auteurs rentrent cependant en ligne de compte. Citons quelques-uns de ces facteurs :

– Les GES H2O (d'origine naturelle) et CO2 (d'origine anthropique), principaux responsables de l'effet de serre, sont en mélange et leurs spectres d'absorption se recouvrent.

– Le gradient vertical de température change de signe dans la stratosphère vers 20 km ; Des considérations plus complètes des auteurs montrent que globalement, la stratosphère a un comportement neutre sur l'effet de serre lorsque le taux de CO2 varie.

– Des phénomènes de rétroaction (positive ou négative) de l'effet de serre existent, tels que :

• l'augmentation de la teneur en vapeur d'eau dans l'atmosphère avec la température, renforçant l'effet de serre.

• la modification du gradient vertical de température avec la teneur en vapeur d'eau, diminuant l'effet de serre.

• le changement des nuages, de la couverture de neige et de glace, l'effet des aérosols, modifiant l'effet de serre.

• la diminution des puits de carbone avec la température, en particulier celui de l'océan.

Notons que parmi tous ces facteurs, les principales causes d'incertitudes, chiffrées dans les calculs radiatifs complets, à émissions de GES anthropiques données, restent le rôle des nuages, des aérosols et de la concentration en vapeur d'eau.

Il n'est pas inutile de rappeler que la plus grande incertitude, et de loin, des codes prospectifs du climat, repris dans les rapports du GIEC, porte sur le comportement futur de l'humanité relativement à ses émissions de GES, et principalement de CO2, directement reliées à l'utilisation des énergies fossiles (gaz, pétrole, charbon).

Les principales voies de diminution de l'utilisation des énergies fossiles sont :

• la diminution des consommations énergétiques d'origine « fossile ».

• l'amélioration de l'efficacité énergétique des combustions « fossiles ».

• le recours aux énergies plus faiblement émettrices en CO2 (renouvelables et nucléaire).

Et ceci dans toutes les composantes des activités humaines (chauffage, isolation des bâtiments, transports, processus industriels, électricité,…). Notons également l'augmentation des puits de carbone par reforestation, apte à diminuer la concentration de CO2 dans l'atmosphère.

(réf 1) : l'effet de serre atmosphérique : plus subtil qu'on ne le croit ! , de Jean-Louis Dufresne (Institut Pierre-Simon Laplace) et Jacques Treiner (université Pierre et Marie Curie), paru en février 2011, dans le n° 72 de La Météorologie.

Retrouvez également cet article dans le Flash n°39.

Réchauffement climatique ou pas ? D'origine anthropique ou pas ?

Aurélien Deragne (ECL 98) , Cédric Ringenbach (ECN 96) — 2013-12-01T18:16:00Z

Le GIEC vient de publier son 5ème rapport et celui-ci confirme la réalité du réchauffement climatique, et évalue la probabilité de son origine anthropique à 95% (contre 90 % dans le 4ème rapport).

Comme à l'occasion de tous les précédents rapports, des doutes "climato-sceptiques" se font actuellement entendre dans la presse.

L'un des arguments les plus fréquemment repris est que, contrairement au discours du GIEC :

« c'est une hausse des températures qui engendre une hausse de la concentration en CO2 (le principal des gaz à effet de serre) dans l'atmosphère et non l'inverse. ».

Eh bien, cette affirmation est pour moitié VRAIE et... pour moitié FAUSSE !

Pour moitié VRAIE :

Les mesures réalisées à partir des carottes glaciaires confirment en effet que depuis 800 000 ans une hausse des températures a historiquement engendré une hausse de la concentration en CO2 lors des périodes de déglaciation. De même, lors des périodes de glaciation, c'est la diminution des températures qui a précédé la décroissance du taux de CO2. Le mécanisme est le suivant :

Les cycles de Milankovitch décrivent comment les influences combinées des autres planètes du système solaire modifient le mouvement de la Terre autour du soleil de plusieurs façons : précession des équinoxes, inclinaison variable de l'axe de rotation terrestre par rapport au plan de l'écliptique, excentricité de l'orbite terrestre autour du soleil. Ces variations seraient neutres sur une planète complètement symétrique : ce qui se passe au nord serait compensé par ce qui se passe au sud ou par ce qui se passe 6 mois plus tard.

Mais la Terre n'est pas symétrique : vers le parallèle 60, il y a majoritairement de la terre au nord et de l'océan au sud. Et c'est précisément dans ces latitudes qu'il y a de la neige en hiver et pas en été.

Périodiquement, environ tous les 100 000 ans, l'hémisphère nord est moins exposé au soleil au printemps, au moment où la neige devrait fondre. Durant ces phases, la surface de neige va donc augmenter, augmentant l'albédo (les couleurs claires réfléchissant les rayons solaires), ce qui va réduire la quantité de chaleur solaire reçue et ainsi renforcer le refroidissement.

Le phénomène symétrique, dans l'hémisphère sud, n'a pas de conséquence car il n'y a pas de neige à ces latitudes, et pour cause : on est en plein océan.

A l'inverse, durant les phases des cycles de Milankovitch où l'hémisphère nord reçoit plus de chaleur au printemps, celle-ci fait fondre la neige ce qui réduit l'albédo et amplifie le réchauffement.

C'est ce phénomène qui est le moteur des glaciations et des déglaciations au cours du dernier million d'années.

On observe que les variations de température ont un impact sur la concentration en CO2. Ce mécanisme est bien connu : un océan froid contient plus de CO2 qu'un océan chaud (tout comme une bouteille de champagne dont la pression est de 2 bars de plus si elle est chambrée), et la végétation joue également un rôle. Le temps de réponse est d'environ 800 ans. Ainsi, d'une glaciation à la déglaciation suivante, la teneur en CO2 de l'atmosphère a varié de 180 ppm (parties par million, ou cm3/m3) à 300 ppm, et ceci jusqu'à l'ère préindustrielle (nous étions à 280 ppm au début XIXe siècle).

Il est donc vrai que la température a un impact sur le CO2 et que c'est elle qui a varié en premier lors des glaciations et des déglaciations du dernier million d'années (graphique n°1).

Graphique n°1

Les points représentent en abscisses la concentration en CO2 en ppm et en ordonnées la variation de température en Antarctique en degrés Celsius par rapport à aujourd'hui sur les derniers 650 000 ans. On note la corrélation entre la concentration en CO2 et la température.

En bleu : les périodes de refroidissement, et en rouge les périodes de réchauffement. On observe que les points bleus sont en dessous de la droite de régression linéaire alors que les points rouges sont au-dessus. Ceci illustre le déphasage (la température est en avance de phase).

Nota : en Antarctique, les variations de température ont une amplitude à peu près deux fois plus grande qu'en moyenne sur Terre.

Mais le fait que ce phénomène existe ne veut pas dire que le phénomène inverse n'existe pas !

Pour moitié FAUSSE :

Car le phénomène inverse existe bien. L'effet de serre est connu et a été décrit depuis plus d'un siècle. L'effet de serre engendre immédiatement un forçage radiatif, la hausse des températures n'étant complètement atteinte qu'après une période comprise entre 50 et 100 ans, compte tenu de l'inertie des océans (le forçage radiatif correspond au déséquilibre entre l'énergie reçue du soleil et l'énergie infrarouge réémise vers l'espace, une partie de cette dernière étant renvoyée par les gaz à effet de serre, les GES, vers la terre).

Ce forçage radiatif a été calculé précisément dans le rapport du GIEC. Il serait aujourd'hui supérieur à 2,2 W/m², après avoir été estimé à environ 1,7 W/m² en 2007 (dans le 4ème rapport du GIEC), environ 1,2 W/m² en 1980 et environ 0,5 W/m² en 1950 (graphique n°2).

Graphique n°2

Concrètement, la concentration en CO2 de l'atmosphère a fortement augmenté depuis le début du XXème siècle et notamment depuis 1950 (elle est actuellement de plus de 390 ppm, valeur inégalée depuis plus de 800 000 ans), et continue à croître régulièrement. L'origine est clairement anthropique : on peut calculer que la concentration actuelle correspond aux émissions humaines liées à la production d'énergie depuis 150 ans et à la déforestation, desquelles il convient de déduire l'effet des "puits naturels" (océans, végétation).

Sur le graphique n°1 ci-dessus, on constate claire-ment que le niveau de CO2 observé aujourd'hui (Point à près de 400 ppm) est inédit et surtout amorce une hausse des températures dont la caractéristique est d'être très rapide, comme on le constate sur le graphique 3 ci-après, et ceci sans commune mesure avec l'échelle de temps des glaciations et déglaciations, se chiffrant en dizaine de milliers d'années. L'ordre des causes et des effets est différent aujourd'hui de celui constaté entre les périodes glaciaires et interglaciaires. C'est bien la preuve que ce ne sont pas les cycles de Milankovitch qui sont à l'œuvre et que nous sommes face à un autre phénomène.

D'autres objections font remarquer que la température n'a pas augmenté immédiatement depuis que l'homme émet du CO2. En réalité le réchauffement est notable depuis 1900 (graphique n°3),

graphique n°3

mais une pause est constatée entre 1950 et 1970. Concernant cette pause, l'hypothèse actuelle est que la période des trente glorieuses a été marquée par de fortes émissions de particules occultantes, qui ont réduit le pouvoir de réchauffement solaire (au prix d'une certaine pollution évidemment). De plus il faut savoir que compte tenu des nombreuses causes de variation naturelle du climat, il est préférable de raisonner sur des périodes de 30 ans. Ce dernier point explique aussi pourquoi il faut prendre du recul par rapport à la nouvelle relative pause observée depuis la fin des an-nées 90.

En conclusion , le réchauffement actuel est avéré, et son origine anthropique est quasi-certaine (estimation de 95% de probabilité dans le dernier rapport du GIEC). Ceci dit, compte tenu de l'inertie du système planétaire, le réchauffement provoqué par le CO2 anthropique n'a probablement pas encore atteint son maximum et des questions restent ouvertes : quelle hausse au final, et dans combien de temps, les émissions de CO2 continuant à augmenter ?

Retrouvez également cet article dans le Flash n°37.