CO2 et particules : qu’émettons-nous, avec quels effets ?

Les effets de ces différentes émissions ne sont pas les mêmes. Gaz à effet de serre et aérosols modifient le bilan radiatif terrestre de deux façons : en piégeant le rayonnement infra-rouge dans les basses couches de l’atmosphère (ce que l’on nomme l’effet de serre), mais aussi en réfléchissant une partie du rayonnement solaire.

Les gaz à effet de serre, comme le CO2, contribuent surtout au premier effet. On estime aujourd’hui que plus de la moitié de l’augmentation de l’effet de serre est due aux rejets de CO2 dans l’atmosphère. En revanche, l’impact radiatif net des aérosols est en moyenne négatif : ils ont surtout comme effet de réfléchir le rayonnement solaire, soit directement, soit en contribuant à la formation de nuages. Les gaz à effet de serre sont rapidement mélangés dans l’atmosphère, et ont une durée de vie longue dans l’atmosphère. Celle-ci est de l’ordre de 20 ans pour le méthane, et bien plus longue pour le CO2, dont 20% des émissions actuelles auront encore un effet sur le climat dans 1000 ans. Les teneurs en aérosols dans l’atmosphère sont quant à elles caractérisées une forte hétérogénéité spatiale (concentration autour des grandes métropoles), du fait de leur courte durée de vie dans l’atmosphère : à peine quelques jours, du fait de l’effet de lessivage des pluies. Enfin, certaines particules, par exemple les suies issues de la combustion du charbon, contribuent plutôt au réchauffement de l’atmosphère. Au final, l’effet des gaz à effet de serre sur le climat est précisément estimé, alors qu’une incertitude plus large pèse sur l’effet des aérosols ; mais il n’y a aucun doute que l’impact réchauffant du surplus d’effet de serre est dominant.

Pour revenir au secteur de l’énergie, et à l’impact climatique associé à différentes sources d’énergie, il faut prendre en compte d’éventuels effets de fuite (méthane), ainsi que l’effet net lié aux aérosols et aux gaz à effet de serre. La production d’électricité utilisant le charbon est celle qui rejette le plus de CO2 par unité d’énergie produite, et, sans normes contraignantes, peut fortement dégrader la qualité de l’air par le rejet d’aérosols.

Comment évoluent les émissions ?

Les rejets de gaz à effet de serre dus à la déforestation se sont stabilisés au cours de la dernière décennie, suite à une compensation partielle entre déforestation et croissance des forêts, sur des terres agricoles abandonnées et dans les régions boréales. En revanche, les émissions liées à la consommation d’énergie fossile et à la production de ciment ont fortement augmenté : + 1 % par an entre 1990 et 2000, +2,9 % par an entre 2002 et 2011. L’évolution récente est principalement due à l’augmentation de la consommation mondiale de charbon. Depuis 2005, les émissions des pays émergents et en développement ont dépassé celles des pays industrialisés, la Chine étant le premier émetteur de CO2, suivie des Etats-Unis, de l’Union Européenne, de l’Inde, de la Russie et du Japon. Les émissions de CO2 par habitant dues aux énergies fossiles dépendent du mix énergétique de chaque pays, ainsi que de la consommation d’énergie. Ainsi, elles dépassent largement 12 tonnes par an et par habitant pour l’Arabie Saoudite, le Qatar, les Etats-Unis, le Canada et l’Australie ; elles sont de l’ordre de 5 à 12 tonnes par an et par habitant pour les divers pays de l’Union Européenne, l’Afrique du Sud, la Corée du Sud, la Chine ou la Russie ; et de moins de 5 tonnes par an et par habitant pour le Brésil, l’Inde et la plupart des pays en développement. Pour compléter le tableau et se faire une idée précise des émissions totales de gaz à effet de serre, il faut enfin prendre en compte les autres gaz (traduits en CO2-équivalent) ainsi que les changements d’usages des sols.

Ainsi, en France en 2010, le pouvoir de réchauffement global lié aux émissions nationales est dû à 73,4% au CO2, 11,9% au CH4, 11,3% à l’oxyde nitreux et 3% pour d’autres gaz. Les évolutions récentes sont liées à une diminution de la combustion de charbon et des rejets d’oxyde nitreux, à une augmentation de la combustion du gaz naturel (résidentiel) et du transport routier, ainsi qu’à une augmentation des rejets de gaz utilisés en réfrigération et climatisation. En moyenne, les émissions de CO2 sur le territoire national sont de l’ordre de 6,8 tonnes/an/habitant (contre 9,6 tonnes autres gaz). Il faut y ajouter les émissions rejetées lors de la production de produits importés, ce qui correspond au final à 12,6 tonnes de CO2 équivalent/an/habitant.

Des émissions aux projections

Examinons à présent d’un peu plus près les modèles de prévisions climatiques. La variabilité observée du climat dépend de perturbations radiatives naturelles (injection d’aérosols, par exemple d’origine volcanique ; variations de l’activité du Soleil), anthropiques (gaz à effet de serre et aérosols, usages des sols) et enfin de la variabilité interne du système océan-atmosphère (par exemple la survenue d’événements comme El Niño). Les observations du changement climatique en cours montrent plusieurs tendances significatives : un réchauffement d’environ 0,85 °C de la température à la surface du globe depuis 1900, une modification du profil vertical de la température atmosphérique, une augmentation de l’humidité atmosphérique, un réchauffement plus marqué à la surface des continents que des océans (et très prononcé dans l’Arctique), caractérisé par un retrait des zones enneigées et englacées, une augmentation de la fréquence des vagues de chaleur et de l’intensité des précipitations les plus fortes… Toutes ces caractéristiques sont cohérentes avec les études théoriques issues de la modélisation de l’impact sur le climat de l’augmentation des concentrations atmosphériques en gaz à effet de serre. Elles amènent à la conclusion d’un impact dominant des activités humaines sur l’évolution du climat global et régional, sur l’évolution du niveau des mers, et sur l’intensification de certains évènements extrêmes (vagues de chaleurs, fortes précipitations) au cours des derniers 50 ans.

Les modèles numériques de climat sont également utilisés pour évaluer les risques d’évolution future du climat. Tous les laboratoires de recherche construisant des modèles de climat (une quarantaine dans le monde) viennent de réaliser un ensemble de simulations standardisées, qui intègrent des simulations de différents climats passés, de la période historique, et un ensemble de scénarios d’évolution future de l’impact des activités humaines. Ces scénarios correspondent à des perturbations faibles ou modérées des radiations piégées dans l’atmosphère (2,6 W/m2 , soit l’ajout d’une perturbation d’amplitude similaire à celle qui a déjà eu lieu depuis la période préindustrielle jusqu’à ce jour) à des perturbations fortes (8,5 W/m2 soit un quadruplement de l’impact radiatif des activités humaines sur le climat). Ces valeurs correspondent à des concentrations de CO2-équivalent dans l’atmosphère allant de 490 à plus de 1300 ppmv de CO2.

Il faut souligner que le scénario bas correspond à une stabilisation des émissions mondiales de CO2 d’ici une vingtaine d’années, puis une forte diminution, jusqu’à des émissions nulles dans la seconde moitié du XXIe siècle ; le scénario haut correspond à une croissance régulière des émissions de CO2 pendant les 2/3 du XXIe siècle ; l’évolution récente des émissions se situe sur cette trajectoire « haute ». La comparaison, pour un scénario donné, de différents modèles de climat permet d’identifier la robustesse des résultats ou l’incertitude associée à chaque modèle.

Que nous apprennent ces résultats ?

Tout d’abord, l’évolution du climat ne se différencie d’un scénario à l’autre qu’à l’horizon d’une trentaine d’années. En effet, l’évolution du climat au cours des prochains 30 ans intègre la réponse à la perturbation déjà effectuée. Les différences d’émissions de gaz à effet de serre (et de scénario) sont déterminantes pour l’évolution du climat au-delà de 2050, avec un réchauffement modeste (moins de 2 °C par rapport au climat pré-industriel) uniquement pour le scénario le plus bas et un réchauffement important (près de 5°C par rapport au climat pré-industriel) pour le scénario le plus élevé. Tous les modèles simulent une intensification des changements déjà observés : recul de la banquise arctique, intensification du cycle de l’eau, augmentation de l’intensité et de la fréquence des vagues de chaleur, montée du niveau des mers, modification de la circulation atmosphérique de grande échelle avec déplacement des structures de circulation (moussons, passages dépressionnaires) vers les pôles, acidification des océans…

L’échelle de temps des conséquences de rejets de CO2 dans l’atmosphère est particulièrement longue actuellement. Environ 50% des rejets anthropiques de CO2 sont actuellement captés par les océans (qui s’acidifient), les sols et la végétation. Il faut noter que l’efficacité de ces puits de carbone pourrait diminuer dans un climat plus chaud.

Les océans jouent ainsi un rôle de « tampon » : de la même façon qu’ils absorbent une bonne partie du CO2, ils stockent l’essentiel (plus de 90%) du surplus d’énergie emmagasinée dans le système climatique. De petites fluctuations dans les échanges entre océans et atmosphère modulent le rythme du réchauffement, d’une année à l’autre ou d’une décennie à l’autre. De ce fait, les océans ont également un effet de « mémoire » qui va faire perdurer très longtemps le changement climatique et ses conséquences. Ainsi, l’augmentation du niveau moyen des mers, dans le scénario haut, pourrait être de l’ordre de 90 cm au-dessus du niveau pré-industriel d’ici à 2100, et de 1 à 3 mètres d’ici à 2300.

Au final, le changement climatique futur est principalement lié au cumul des émissions de CO2. Ce résultat permet de traduire l’objectif choisi par les gouvernements des différents pays à Copenhague, c’est à dire un réchauffement de moins de 2°C par rapport au climat préindustriel, en quantités d’émissions compatibles. En prenant en compte l’impact des autres gaz à effet de serre, et une période de référence « pré-industrielle » au milieu du 19e siècle, il ne faudrait pas émettre, pour respecter cet objectif, plus de 790 GtC au total Les émissions passées cumulées étant de 515 gigatonnes de carbone sur cette période, et compte tenu du rythme actuel de croissance des émissions, ce cumul sera atteint d’ici 20 à 30 ans.

En retour, comment le changement climatique affectera-t-il l’offre et la demande énergétique ?

En moyenne, la demande d’énergie pour le chauffage en hiver dans les régions tempérées pourrait diminuer, tout en continuant d’exiger la possibilité de faire face à des vagues de froid. À l’inverse, la demande d’énergie pour la climatisation pourrait fortement augmenter, du fait du risque accru de vagues de chaleur.

En ce qui concerne la production d’énergie, plusieurs types d’effets peuvent être anticipés. Les changements du cycle de l’eau et la fonte des glaciers de montagne peuvent par exemple affecter la capacité de production d’hydroélectricité. La capacité de renouvellement de la biomasse (utilisable pour la production de chaleur ou d’agrocarburants) pourrait également être affectée par le changement climatique et son interaction avec l’évolution de la qualité de l’air. Il existe de très grandes incertitudes sur l’évolution des événements de petite échelle spatiale comme les ouragans ou les tempêtes auxquels sont exposés les systèmes de production énergétique ainsi que les réseaux de transport d’électricité ; la vitesse des vents en surface associée aux ouragans les plus forts pourrait augmenter. Les impacts du réchauffement climatique sur le débit et la température des eaux de surface (fleuves et mers côtières) pourraient enfin affecter la capacité de refroidissement des centrales nucléaires.

D’une façon générale, l’impact futur du changement climatique sur la production et la consommation d’énergie pourrait se résumer en un mot : une vulnérabilité accrue, de certaines infrastructures en particulier et par extension des systèmes dans lesquels elles s’inscrivent. On observe d’ailleurs aujourd’hui, aussi bien dans les grandes entreprises qu’au sein des collectivités locales, une prise en compte croissante de ces risques. Les gestionnaires d’infrastructures sont bien sûr en première ligne, avec les responsables politiques de lieux déjà fragilisés par le changement climatique (inondations, sécheresse, érosion).

Les zones littorales qui concentrent populations et infrastructures sont particulièrement vulnérables en particulier vis-à-vis de l’augmentation du niveau des mers. Et certains éléments de la réponse actuelle au changement climatique pourront, à terme, former de nouvelles vulnérabilités. Par exemple, la croissance planifiée de la part des énergies renouvelables (en particulier solaire et éolienne) dans le mix énergétique mondial renforce le besoin de prévisions météorologiques précises afin de gérer l’intermittence de la production d’électricité. Les centres de recherche sur le climat développent des diagnostics issus des scénarios d’évolution climatique à court (décennies) et long terme (50-100 ans) pour permettre aux pouvoirs publics ainsi qu’aux industriels de différents secteurs d’évaluer leurs impacts possibles et s’y préparer.

Au Danemark, les primes de l’assurance habitation sont d’ores et déjà indexées sur le risque climatique. Les grands réassureurs, comme SCOR, Munich Re ou Swiss RE, publient des analyses qui en tiennent compte.

Les modèles classiques d’évaluation des risques, déjà, ont perdu de leur pertinence. Jusqu’à présent, pour gérer un risque d’inondation par exemple, on se référait aux crues décennales et centennales. Au passé, en somme. Le changement climatique introduit un régime d’incertitude, qui oblige à imaginer ce qui n’est encore jamais arrivé. Par exemple, pour donner un exemple très précis, la déformation des rails d’une ligne de TGV pendant une période de canicule d’une durée inédite. Les études de vulnérabilité se multiplient aujourd’hui, qui traduisent, après le moment dramatique de la première prise de conscience (en gros, le sommet de Copenhague), une deuxième prise de conscience, plus pratique.

Certains pays, comme le Royaume-Uni, sont en avance dans les études de vulnérabilité, qui portent notamment sur les questions d’approvisionnement. Dans le domaine industriel, certains groupes ont engagé des réflexions sur leur vulnérabilité par rapport à leurs filières. D’une façon générale, la variété des situations incite fortement à partager les expériences et les savoir-faire. Ainsi les Français, dont une partie du territoire pourrait être touchée par des canicules plus fréquentes, peuvent-ils apprendre des Espagnols qui savent déjà gérer ce genre d’événements.

Les simulations d’évolution future du climat fournissent un ensemble d’éléments utiles pour construire des stratégies d’adaptation. La notion de « services climatiques » qui émerge dans les différents centres de modélisation du climat intègre la mise en œuvre de diagnostics correspondant à des besoins de différents acteurs (industriels, assurances, collectivités territoriales…). Ces besoins sont spécifiques : par exemple, un industriel de l’énergie ne sera guère intéressé par l’évolution des températures moyennes, mais beaucoup plus par le nombre de jours au-dessus ou au-dessous d’un certain seuil.

L’impact majeur du changement climatique sur la question énergétique portera évidemment sur les choix énergétiques, qui sont d’ores et déjà contraints, dans certains pays ayant engagé leur transition énergétique, par une volonté de répondre au changement climatique et d’en limiter les effets. Il est difficile, à l’heure qu’il est, de se prononcer sur l’ampleur des évolutions, qui dépend de multiples facteurs dont la plupart jouent sur le court terme – à commencer par la politique. Car ces choix, pour le coup, procèderont nécessairement de la délibération politique, et sur ce point les climatologues ne peuvent guère qu’éclairer certains aspects du débat.

L’exemple des agrocarburants montre bien que la détermination de priorités dans le domaine énergétique passe par une analyse largement interdisciplinaire. Si l’on limite l’analyse au lien direct entre problématiques climatiques et énergétiques, il n’existe aucune limite à la production souhaitable d’agrocarburants. Si l’on prend en compte l’impact sur l’alimentation, sur la préservation de la biodiversité, ou les différences structurelles entre pays du Nord et du Sud, on constate au contraire que cette production se heurte à des limites considérables – qui ne peuvent être tranchées uniquement par l’expertise scientifique, parce qu’elles relèvent aussi de problèmes de justice.

Valérie Masson-Delmotte
Paléoclimatologue, directrice de recherche, CEA

[ Archive ] – Cet article a été écrit par Paristech

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