Incertitudes du cycle du carbone

Dans quelle mesure les émissions anthropiques qui s’élèvent à 9 milliards de tonnes par an (l’atmosphère en contenant 810) perturbent le cycle du carbone contribuant à l’augmentation de la concentration de CO2 dans l’atmosphère? De nombreuses incertitudes subsistent.

Le cycle du carbone désigne les flux d’échanges de carbone entre ses quatre « réservoirs » : la lithosphère (sédiments et roches), l’hydrosphère (les eaux océaniques), l’atmosphère et la biosphère (plantes, sols, animaux). Ces réservoirs sont soit des sources (émettent du carbone) soit des puits (absorbent le carbone). A une échelle de temps courte (de l’année au millénaire), le cycle du carbone est limité aux échanges de surface, sous forme de gaz carbonique entre la biosphère, l’atmosphère et les océans. En situation d’équilibre le niveau des différents réservoirs est constant dans le temps.

Cycle du carbone

Source Jussieu (IPSL)

Dans quelle mesure les émissions anthropiques qui s’élèvent à 9 Giga Tonnes par an (dont 1,5 dues au changement d’utilisation des sols) perturbent le cycle du carbone contribuant à l’augmentation de la concentration de CO2 dans l’atmosphère?

De nombreuses incertitudes subsistent: pour en donner la mesure il suffit de mentionner ce fait :

En vue de l’élaboration de son quatrième rapport, le GIEC a fait travailler plusieurs laboratoires sur les divers scénarios d’émission entre 2000 et 2100. Onze modèles utilisant un protocole commun devaient calculer la croissance de la concentration de CO2 dans l’atmosphère, après échanges avec les océans et la biosphère. Les résultats sur la concentration du CO2 dans l’atmosphère en 2100 obtenus par les différents modèles de cycle du carbone présentaient une dispersion de 1 à 10. Les deux modèles extrêmes évaluaient le CO2 supplémentaire à respectivement 20 et 200 ppm, la majorité des modèles situant l’augmentation entre 50 et 100 ppm. Cette expérience a fait l’objet d’une publication dans la revue Journal of Climate[1] en 2006 et a d’autre part été rapportée par Katia et Guy Laval dans leur ouvrage « Incertitudes sur le climat » (page 10).

Trois facteurs sont à prendre en considération :

  • la durée de séjour du CO2 dans l’atmosphère ;
  • la part du carbone anthropique émis qui se retrouve dans l’atmosphère ;
  • la part de l’augmentation de la concentration de CO2 dans l’atmosphère attribuable aux émissions anthropiques.

La durée de séjour du CO2 dans l’atmosphère est de 5 ans

 Environ 200 Giga Tonnes de carbone entrent et quittent l’atmosphère chaque année. En première approximation la taille du réservoir atmosphérique étant de 800 Giga Tonnes le « temps de résidence » d’une molécule donnée de CO2 peut être évalué à 800/200, soit 4 années. Robert H. Essenhigh[2], professeur à l’Ohio State University, estime cette durée à environ 5 années. Le GIEC est d’accord avec cette durée de séjour qu’il désigne par le terme Turnover time mais fait intervenir la notion de temps d’ajustement (adjustment time), (censée être plus pertinente s’agissant de forçage radiatif auquel) auquel il donne la valeur approximative de 100 années.

Moins de la moitié du carbone anthropique émis se retrouve dans l’atmosphère

 Il y a consensus sur le fait que moins de la moitié du CO2 émis par la combustion des énergies fossiles reste présent dans l’atmosphère, le reste étant absorbé par les océans ou par la biosphère terrestre dans des proportions à peu près égales. Examinons les deux mécanismes :

  • L’océan énorme puits de carbone contient 60 fois plus de CO2 que l’atmosphère. Sa concentration en CO2 dépend de la température : plus la température est basse plus l’eau peut en contenir et inversement les eaux chaudes libèrent du CO2 dans l’atmosphère : ces transferts (positifs et négatifs) sont évalués à 70 Giga Tonnes par an. Au total, on estime que l’océan absorbe près de 45% des émissions de carbone fossile (Édouard bard [3]).
  • Lors de la photosynthèse les plantes absorbent du CO2; elles en rejettent dans l’atmosphère lorsqu’elles respirent et quand elles meurent (la décomposition des plantes libère le CO2 emmagasiné). Ces échanges s’équilibrent en moyenne annuelle autour de 120 Gigatonnes de carbone par an. La respiration des animaux produit le même volume de CO2 que la respiration du sol.

Le pourcentage du CO2 anthropique dans l’atmosphère n’est que de 5%

C’est ce que démontre Tom V. Segalstad[4], Professeur Associé de Géologie à l’Université d’Oslo (et qui a été expert du GlEC). S’appuyant sur l’évolution des proportions des deux isotopes du carbone (13C/12C), il estime que le pourcentage du CO2 anthropique est d’environ cinq pour cent et en déduit qu’un quart seulement de l’augmentation de la concentration de CO2 observée depuis une soixantaine d’années est attribuable aux émissions anthropiques de CO2. L’explication est qu’il y a une forte dépendance de l’absorption du CO2 à la température de l’océan : lors des périodes de réchauffement (par exemple pendant le grand el Niño de 1997/98), l’océan dégaze du CO2 et inversement en absorbe d’avantage pendant les périodes de refroidissement (par exemple en 1991/92 suivant l’éruption du Pinatubo).

Ceci est illustré par le graphique ci-dessous qui rapproche les émissions annuelles de CO2 au taux de concentration de CO2 dans l’atmosphère :

  • les émissions de CO2 provenant de la combustion des énergies fossiles (courbe supérieure) croissent régulièrement ;
  • le taux de concentration du CO2 atmosphérique (diagramme à barres) montre des variations périodiques bien corrélées aux événements chauds El Niño et aux événements froids d’origine volcanique.
CO2 et températures

Source : Rapport NIPCC (2008)

Dans une publication de 2007, E.G. Beck a compilé 90 000 mesures de capteurs chimiques dans l’hémisphère Nord durant les cent cinquante dernières années. Parmi les scientifiques qui ont contribué à valider ces données, figurent deux prix Nobel, August Krogh et Otto Warburg. Elles montrent en particulier des taux de dioxyde de carbone supérieurs aux valeurs observées aujourd’hui, notamment autour de 1940. Les températures plus élevées autour des années 1940 auraient momentanément provoqué une libération du CO2 des océans.

Ainsi selon François Gervais[5], le solde de la fraction liée aux activités humaines après les échanges avec la biosphère, la photosynthèse et la dissolution dans l’eau est limité à 5 % des émissions annuelles (400 ppm), soit 20 ppm. Seul ce solde de 20 ppm  peut être soupçonné de contribuer à un réchauffement terrestre par effet de serre d’origine anthropique.

Plus récemment (février 2017), une publication[6] d’un scientifique allemand donne les estimations suivantes :

  • la contribution anthropique à la concentration actuelle de CO2 à 4,3% ;
  • sa part dans l’accroissement du CO2 pendant l’ère industrielle est de 15% ;
  • le temps moyen de résidence dans l’atmosphère est de 4 années.

Le dernier rapport du GIEC fait l’impasse sur le cycle du carbone

 Au vu de ces incertitudes, on n’est pas étonné que le GIEC ait choisi pour son 5ème rapport AR5 de faire l’impasse sur le cycle du carbone.

En effet, les quatre scénarios RCP (Representative Concentration Pathway) conduisant à des prévisions de réchauffement en 2100 allant de 0,3° à 4,8°C, sont exprimés en termes de valeurs préétablies de concentration de Gaz à Effet de serre (et non pas en termes de niveau d’émission comme dans ses précédents rapports). Comme cela est expliqué dans le résumé pour décideurs (Groupe 1) du 5ème rapport du GIEC :

Les RCP utilisés sont définis comme des profils de concentration et donc les incertitudes liées au cycle du carbone affectant les concentrations atmosphériques en CO2 ne sont pas prises en compte dans les simulations CMIP5 forcées par des concentrations.

 Conclusions : un écheveau d’une incroyable complexité

A l’incertitude sur le cycle du carbone s’ajoute le fait que la relation température/CO2 reste encore mal comprise.

Dans un article publié en décembre 2016 dans la revue-arguments.com le géologue Alain Préat indique qu’il est difficile d’établir une relation entre la température et le CO2. Il évoque un écheveau d’une incroyable complexité. Selon ce géologue depuis au moins le Cambrien (il y a 541 millions d’années) la teneur en CO2 a toujours été plus élevée que la concentration actuelle celle-ci variaient entre 3000 et 7000 ppm. La période actuelle serait donc selon lui une anomalie puisque la concentration actuelle en CO2 (bien inférieures à 500 ppm) n’a été rencontrée qu’une seule fois au cours du Carbonifère/Permien.  Au Permien la concentration atmosphérique est passée sous les 210 ppm avec une augmentation de 8°C de la température et une forte diversification des plantes et des animaux. De même de la fin du Jurassique à la fin du Crétacé, la température était respectivement de 2°C à 8°C supérieure à l’actuelle alors que la teneur en CO2 atmosphérique est passée de 2300 à 1000 ppm sur cet intervalle de temps.

 


[1] Climate–Carbon Cycle Feedback Analysis: Results from the C4 MIP model Intercomparison FRIEDLINGSTEIN et col. Journal Of Climate Nov 2005

[2] Energy & Fuels », Robert H. Essenhigh (2009)

[3] Evolution du climat et de l’ocean (Édouard bard, membre de l’Institut) Cours : l’océan et le changement climatIque – Inter actIons avec La chimie et La biologie marines

[4] Site personnel Tom V. Segalstad http://www.co2web.info (http://www.co2science.org/articles/V12/N31/EDIT.php)

[5] François Gervais L’innocence du carbone

[6] Scrutinizing the carbon cycle and CO2 residence in the atmosphere  (Hermann Harde – Université Helmut-Schmidt Hambourg). http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921818116304787