CO2 atmosphérique et température : est-on dans une période de hausse ou de baisse ?

Pierre Thomas

ENS-Lyon, France.

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

08 - 01 - 2004

Résumé

Étude des variations temporelles du CO2 atmosphérique et de la température sur différentes échelles de temps.


À l'échelle d'une vie humaine

Depuis un siècle, le taux de CO2 a augmenté de 30 % et la température moyenne de la Terre a augmenté de 0,6-0,8°C. Les perspectives indiquent un doublement du CO2 et une augmentation de la température de 2 à 6°C d'ici la fin du siècle. C'est ce que disent journaux, écologistes...

Évolution de la température

Figure 1. Variation de la température moyenne globale de la surface de la Terre au cours des 2 derniers siècles

Variation de la température moyenne globale de la surface de la Terre au cours des 2 derniers siècles
Variation de la température moyenne globale de la surface de la Terre au cours des 2 derniers siècles

Les barres bleues indiquent la température de surface de la Terre année par année. Les barres noires correspondent à un intervalle de confiance de 95%. La courbe annuelle filtrée (noire) donne les moyennes quasi décennales. L'augmentation de température moyenne globale de surface est de 0,6±0,2°C depuis 100 ans.


Évolution de la concentration en CO2


Document supplémentaire : détails des variations de teneur en CO2 depuis 50 ans à partir de mesures directes dans l'atmosphère.

Une conséquence des variations climatiques : la fonte des glaciers.

Le retrait des glaciers à l'échelle séculaire s'observe sur toute la planète. Les deux photographies suivantes montrent le retrait du glacier South Cascade ( Washington Cascade Mountains ) entre 1928 et 2000.

(Pour en savoir plus sur l'évolution des glaciers.)

Prenons du recul « chronologique » et « géologique » :

À l'échelle historique (derniers 1000 ans)

Depuis 1000 ans, la température moyenne ne fait qu'augmenter ou diminuer d'1 à 2°C, avec des périodes froides (ex : le Petit Age Glaciaire qui a commencé au XVIIe siècle, cette époque semble marquée par des conditions climatiques particulièrement rigoureuse en Europe et par une avancée massive des glaciers alpins), et des périodes chaudes (ex : le Groenland vert des XI et XIIe siècles qui a pu être colonisé par les Vikings). Ces hausses et baisses sont vraisemblablement dues à des variations de l'activité solaire. La hausse constatée depuis 150 ans est due pour partie à cette variation d'activité solaire (environ 50 %), et pour partie aux activités humaines. Et comme on ne peut agir sur le Soleil, agissons contre le CO2 !

Évolution de l'activité solaire


L'activité solaire passée peut-être mesurée par le nombre de taches observées (depuis Galilée 1610), mais aussi pour les derniers millénaires par des anomalies dans l'abondance de l'isotope radioactif carbone 14 dans des échantillons datés. Le 14C est produit à partir de 14N par la pénétration de rayons cosmiques dans la magnétosphère et l'atmosphère. Cette production diminue lorsque l'activité solaire et l'intensité du champ magnétique terrestre augmentent. On peut donc accéder aux variations de l'activité solaire en mesurant l'écart en le rapport 14C/12C mesuré dans un échantillon daté par dendrochronologie par exemple et le rapport 14C/12C calculé d'après son âge.

Pour visualiser les 3 courbes précédentes superposées et mises à l'échelle cliquer ici.

À l'échelle des prochains 1000 ans

Les différents modèles élaborés par les scientifiques prévoient une augmentation de la température de 1 à 6° C d'ici 2100. Ces différents modèles se basent sur divers scénarios d'évolution des émissions et de la concentration de CO2 dans l'atmosphère.

Figure 8. Prévisions de l'évolution des températures d'ici 2100 selon différents modèles

Prévisions de l'évolution des températures d'ici 2100 selon différents modèles
Prévisions de l'évolution des températures d'ici 2100 selon différents modèles

Vous pouvez également visualiser les prévisions d'émissions ou de concentration du CO2 sur lesquelles se basent les différents modèles. Ces graphiques sont aussi issus du rapport 2001 de l'IPCC.


Pour prévoir l'évolution de la température au delà de 100 ans, il faut également tenir compte de l'évolution des réserves de combustibles fossiles dont la combustion est responsable de l'augmentation du taux de CO2 dans l'atmosphère.

Il y a entre 40 et 80 ans de réserve de pétrole, le double ou le triple de gaz, pour quelques siècles de charbon.

Effectuons une estimation à partir du graphique ci-dessous : les réserves mondiales prouvées de combustibles fossiles représentent 800 tonnes équivalent pétrole (tep). Par ailleurs, la consommation de combustibles fossiles étant minorée à 6 milliards de tep par an, il nous resterait des réserves pour 800/6 soit environ 130 ans. En estimant à 2400 tep les réserves qui pourraient être découvertes ou qui sont localisées mais dont l'exploitation est encore très discutée, il resterait 3200/6 soit environ 530 années de consommation.


Donc dans 100 à 500 ans, l'augmentation du CO2 et de la température s'arrêteront par la force des choses, et le taux de CO2 diminuera en quelques siècles.. Mais d'ici là, Touareg et Hollandais en « baveront » ; mais qu'est-ce que 1000 ans pour la planète ?

Pour en savoir plus sur la consommation énergétique actuelle et les stocks d'énergie fossile.

À l'échelle du Quaternaire

La hausse précédente s'inscrit dans des oscillations naturelles et périodiques de température et du CO2 qui durent depuis quelques centaines de milliers d'années. La température moyenne de la Terre oscille naturellement entre +10 et +16 °C. On est actuellement à +14°C.

Ces variations sont dues aux interactions complexes entre orbite de la Terre, océans, calottes glaciaires, CO2



Mais on va peut-être atteindre +20°C dans 1 siècle (voir la partie sur les prochains 1 000 ans), et sortir du domaine « habituel » des variations de températures dans les quelques siècles qui viennent. Puis tout redeviendra normal, faute de CO2 à relâcher.

L'astronomie nous indique que la prochaine glaciation commencera dans 40 000 à 80 000 ans.

À l'échelle du Phanérozoïque

Depuis 80 millions d'années, la tendance globale (malgré les oscillations vues précédemment) est à la baisse du CO2 (divisé par 6 en 80 000 000 ans) et à une baisse de la température de 10 à 15 °C (température moyenne de 25 à 30°C il y a 80 000 000 d'années).

Entre -280 et - 80 millions d'années, la tendance était au contraire à la hausse du CO2 (multiplié par 6) et de la température moyenne (qui est passée de 12°C à 25-30°C)

Évolution de la concentration en CO2

Figure 14. Modèle d'évolution de la teneur en CO2 normalisée à la teneur en CO2 actuelle au cours des 600 derniers millions d'années

Modèle d'évolution de la teneur en CO2 normalisée à la teneur en CO2 actuelle au cours des 600 derniers millions d'années
Modèle d'évolution de la teneur en CO2 normalisée à la teneur en CO2 actuelle au cours des 600 derniers millions d'années

Quelques données indirectes de mesure de la pression partielle de CO2 ont été publiées qui semblent en assez bon accord avec la courbe modélisée de Berner. Ces évidences proviennent des isotopes stables du carbone dans les paléosols ou bien d'arguments paléontologiques comme la densité de stomates sur les feuilles fossiles.


Pour en savoir plus sur le modèle de R. Berner

La planète Terre a très bien résisté à ces variations, mais pas tous ses habitants (cf. dinosaures). Ces variations sont dues aux variations d'importance relative entre volcanisme, formation de montagnes, altération des roches, formation des calcaires …

Figure 15. Un exemple de récif corallien de l'archipel de Palau (Micronésie)

Un exemple de récif corallien de l'archipel de Palau (Micronésie)
Un exemple de récif corallien de l'archipel de Palau (Micronésie)

Les polypes constructeurs de coraux ont été responsables de la formation d'un grande quantité de calcaire. Quelques données indirectes de mesure de la pression partielle de CO2 ont été publiées qui semblent en assez bon accord avec la courbe modélisée de Berner. Ces évidences proviennent des isotopes stables du carbone dans les paléosols ou bien d'arguments paléontologiques comme la densité de stomates sur les feuilles fossiles.


Figure 16. Colonie de 5 mètres de haut d'un corail massif (Pavona Clavus), aux îles Galapagos aux large des côtes de L'équateur dans l'océan Pacifique

Colonie de 5 mètres de haut d'un corail massif (Pavona Clavus), aux îles Galapagos aux large des côtes de L'équateur dans l'océan Pacifique
Colonie de 5 mètres de haut d'un corail massif (Pavona Clavus), aux îles Galapagos aux large des côtes de L'équateur dans l'océan Pacifique

Ce récif a été émergé et asséché à la suite d'une importante activité sismique en 1954. En examinant le taux de croissance de ces coraux , les scientifiques peuvent déterminer le climat qui régnait quand le corail était encore immergé et vivant.


On peut supposer que le « froid » actuel durera tant que durera l'Himalaya (gigantesque pompe à CO2 ), pour encore pas mal de millions d'années. Quand l'Himalaya sera « aplani », le taux de CO2 augmentera à nouveau, et la température aussi, à moins que d'autres montagnes ne se forment en pays inter tropical.

À l'échelle de l'histoire de la Terre

Ces variations qui durent depuis quelques centaines de millions d'années (voir les 3 diagrammes du haut dans la figure ci-dessous) s'inscrivent dans des « tendances générales » :

Figure 17. Évolution des teneurs en CO2 depuis 4,5 milliards d'années

Évolution des teneurs en CO2 depuis 4,5 milliards d'années
Évolution des teneurs en CO2 depuis 4,5 milliards d'années

Quelques données indirectes de mesure de la pression partielle de CO2 ont été publiées qui semblent en assez bon accord avec la courbe modélisée de Berner. Ces évidences proviennent des isotopes stables du carbone dans les paléosols ou bien d'arguments paléontologiques comme la densité de stomates sur les feuilles fossiles. Source : document de Pierre Thomas publié dans Sciences de la Vie et de la Terre, 2nde, collection Éric Périlleux, Nathan, 2000.


  1. le CO2 baisse ; il a été divisé par 100 000 depuis l'origine de la Terre (4e diagramme de la figure ci-dessous). Ce diagramme (en échelle log) montre une décroissance quasi linéaire de la concentration du CO2 avec le temps : le taux de CO2 est divisé par 10 à 100 tous les milliards d'années.

    Cette diminution est due à l'accroissement lent et progressif de la quantité des calcaires terrestres.

  2. Pendant la même époque, l'énergie rayonnée par le soleil a augmenté de 50 % ( Pour en savoir plus sur la variabilité solaire à long terme, voir la thèse de Anne Vigouroux en ligne sur le site de l'observatoire de Nice.).
  3. Et globalement, aux innombrables oscillations près, la hausse du soleil a été compensée par la baisse du CO2 : La température de la Terre est toujours restée entre 0 et 100°C (sauf une ou 2 fois il y a - 650 millions d'années, époque où la Terre a sans doute été une boule de glace, gelée des pôles à l'équateur).

Pourvu que ça dure !!!!!!

Annexes

Pour en savoir un peu plus sur les glaciers :

Le retrait des glaciers à l'échelle séculaire s'observe sur toute la planète. Les données suggèrent que le retrait des glaciers a commencé vers le milieu du XIXe siècle aux basses et moyennes latitudes alors qu'il a commencé plus tardivement aux hautes latitudes.


Pour plus de détails sur la signification de ces données, voir ici.

Deux liens vers des sites illustrant le recul des glaciers :

  • L'évolution du glacier Grinnell dans le Parc National des Glaciers (USA) (Northern Rocky Mountain Science Center, U.S.Geological Survey) En Anglais .
  • Opération Glaciers, des photographies anciennes illustrant les variations de l'environnement glaciaire dans les Alpes Suisses de la fin du XIXe siècle à nos jours (Universités de Fribourg et de Zurich, Suisse). En Français.

Pour en savoir plus sur la consommation énergétique actuelle et les stocks d'énergie fossile.

Pour en savoir plus sur le modèle de Berner :

Les modèles de Robert Berner prennent en considération:

  • l'altération des silicates, des carbonates et de la matière organique

    Pour contraindre cette altération, R. Berner se sert de données sur :

    • les paléosurfaces émergées, leur élévation, les proportions de roches silicatées et carbonatées exposées à l'altération,
    • les débits des cours d'eau, les paléotempératures, les variations de l'altération liées au changements globaux de température en relation avec l'activité solaire et/ou l'effet de serre,
    • la croissance et l'évolution des végétaux vasculaires terrestres, l'augmentation de l'altération via les végétaux lorsque le taux de CO2 s'élève.
  • le dégazage thermique du CO2 via le volcanisme, le métamorphisme et la diagénèse.

    Pour contraindre ce dégazage, R. Berner prend en compte :

    • les variations globales de l'accrétion océanique,
    • le transfert de CaCO3 des plate-formes vers les sédiments des fonds océaniques qui pourront être réchauffés et dégazés en étant subductés.
  • le piégeage de la matière organique et des carbonates dans les sédiments dont les proportions relatives dérivent de données isotopiques sur le carbone.

d'après Berner (1994) et Berner (2003).

Bibliographie

Babusiaux, D., J. Coiffard, Les combustibles fossiles : quels usages, quelles réserves ?, La jaune et la Rouge, Mai 2000.

R.A. Berner, GEOCARB II: a revised model of atmospheric CO2 over Phanerozoic time, American Journal of Science 294, pp. 56–91, 1994

R.A. Berner, The long-term carbon cycle, fossil fuels and atmospheric composition, Nature 426, 323-326 (20 November 2003) doi: 10.1038/nature02131

Etheridge, D. M., L. P. Steele, R. L. Langenfelds, R. J. Francey, J.-M. Barnola, V. I. Morgan, Natural and anthropogenic changes in atmospheric CO2 over the last 1000 years from air in Antarctic ice and firn, J. Geophys. Res., 101(D2), 4115-4128, 1996, doi: 10.1029/95JD03410

Frakes, L.A., J.E. Francis and J.I. Syktus, Climate Modes of the Phanerozoic, Cambridge University Press, Cambridge (1992). Nouvelle edition 2005, ISBN-13:9780521021944 doi: 10.2277/0521021944

Mann, M.E., P.D. Jones, Global Surface Temperatures over the Past Two Millennia, Geophysical Research Letters, Vol. 30, No. 15, 1820, August 2003, doi: 10.1029/2003GL017814. Voir aussi sur le site de la NOAA (davantage d'informations en libre accés).

Van Andel, T.H., New Views on an Old Planet: A History of Global Change. 2nd Edition. Cambridge University Press 1994, ISBN-13:9780521447553 doi: 10.2277/0521447550