Évaluer simplement l’importance pour le changement climatique des principaux gaz à effet de serre dans les scénarios mondiaux à partir des enseignements du dernier rapport du GIEC
Malgré des reculs marquants tels que la sortie récente des États-Unis des accords de Paris, la mobilisation internationale contre le dérèglement climatique enregistre des avancées notables, avec notamment le ralentissement depuis quelques années de la progression des émissions de CO2 mondiales. Mais les enjeux cruciaux liés à un autre gaz à effet de serre, le méthane, restent largement méconnus : un profond décalage persiste en effet entre les efforts des chercheurs sur le climat consacrés à la compréhension, à la fois expérimentale et théorique, du comportement du méthane et sa prise en compte en tant que tel dans les études économiques comme dans les messages envoyés aux décideurs, et donc dans l’élaboration de politiques de réduction des émissions spécifiques à ce gaz.
ÉVALUER SIMPLEMENT L’IMPORTANCE POUR LE CHANGEMENT CLIMATIQUE DES PRINCIPAUX GAZ À EFFET DE SERRE DANS LES SCÉNARIOS MONDIAUX À PARTIR DES ENSEIGNEMENTS DU DERNIER RAPPORT DU GIEC
1. Le document de travail actualisé en date du 19 novembre 2017
Évaluer simplement l’importance pour le changement climatique des principaux gaz à effet de serre dans les scénarios mondiaux à partir des enseignements du dernier rapport du GIEC[1.4 Mo, 9 pages, fichier pdf] Benjamin Dessus, Bernard Laponche, Hervé Le Treut, Document de travail, lundi 24 juillet 2017 > Introduction 1 – Qu’en est-il des gaz à effet de serre autres que le CO2 ? 2 – Évaluer simplement l’impact des gaz autres que le CO2 sur l’évolution de la température de l’atmosphère 2.1 Les trajectoires d’émission de GES à l’horizon 2100 élaborées par le GIEC 2.2 Des trajectoires d’émissions au réchauffement climatique 2.3 Calcul des augmentations de température pour cinq scénarios représentatifs 3 – Un algorithme simple d’appréciation des conséquences climatiques de scénarios diversifiés 3.1 Une relation linéaire entre cumuls et augmentation des températures 3.2 Un exemple d’utilisation Éléments de conclusion Annexe : Abaque PRG CH4
2. Sa traduction anglaise en date du 19 novembre 2017
Simply assess importance for Climate Change of major Greenhouse Gases in global scenarios from the teachings of the last report of the IPCC[1.3 Mo, 9 pages, fichier pdf] Benjamin Dessus, Bernard Laponche, Hervé Le Treut, Working Paper, November 19th, 2017 > Introduction 1. What about greenhouse gases other than CO2 ? 2. A simple assessment of the impact of GHG emissions on the evolution of the atmosphere temperature 2.1 GHG emission trajectories by 2100 2.2 From emissions trajectories to global warming 2.3 Calculation of temperature increases for five representative scenarios 3. A simple algorithm for assessing the climtatic consequences of diversified scenarios 3.1 A linear relationship between cumulative emissions and increased temperatures 3.2 An example of use Elements for conclusion Annex : Abaque PRG CH4
3. La version “grand public” publiée par La Recherche
Le méthane, un gaz qui pèse lourd sur le climat[1.4 Mo, 5 pages, fichier pdf] [également disponible en version “plein texte” sur une page dédiée de ce site] Benjamin Dessus, Bernard Laponche, Hervé Le Treut, La Recherche, n°529, novembre 2017, pp. 68-72 > • Une dangerosité oubliée • Quatre scénarios • Efforts remis en cause
4. L’application à l’UE28 de l’algorithme garantissant la cohérence entre stratégies et objectifs
Union européenne et changement climatique : l’importance ignorée du méthane[1.2 Mo, 8 pages, fichier pdf] [également disponible en version “plein texte” sur une page dédiée de ce site] Benjamin Dessus et Bernard Laponche, Document de travail, lundi 4 décembre 2017 > Introduction 1. Un scénario de référence et une variante CH4 2. Quelle est la part de responsabilité pour chaque gaz dans la contribution de l’Union européenne au réchauffement aux horizons 2050 et 2100 et pour les deux scénarios ? Annexe : Le PRG du méthane
5. Agir à l’échelle mondiale pour éviter un emballement du dérèglement climatique en cours
« Budget carbone mondial » et méthane[600 ko, 7 pages, fichier pdf] Benjamin Dessus et Bernard Laponche, Document de travail, vendredi 14 décembre 2017 > 1. Le « budget carbone » 2. Étude de cas sur la base de 3 scénarios
6. Pour aller plus loin, notre Dossier de Global-Chance.org, sur une page dédiée
Climat : n’oublions pas le méthane ! Rapports, analyses, tribunes, interviews, etc. : Les travaux de Global Chance et de ses membres sur le mésusage du concept de « PRG »
INTRODUCTION
La sortie des États-Unis des accords de Paris vient de remettre spectaculairement sur l’avant de la scène la question du climat. On savait en effet déjà que les contributions des États actuellement associées à ces accords, même avec une présence active des États-Unis, ne sont pas suffisants pour espérer maintenir l’augmentation de la température de la surface terrestre en dessous de 2° à l’horizon 2100 par rapport à la période préindustrielle, et donc a fortiori pour la maintenir en dessous de 1,5°C, valeur considérée par un très grand nombre d’acteurs, comme nécessaire pour éviter des phénomènes trop dangereux pour l’humanité.
Bien entendu, le défaut des États-Unis dont les émissions représentent 15% des émissions totales de gaz à effet de serre rend l’équation encore plus difficile à résoudre. Dans ce contexte il devient nécessaire, avant le dialogue de facilitation de 2018, de voir à quelles conditions, chacun pourrait aller plus vite et plus loin dans la limitation de ses émissions de gaz à effet de serre.
Depuis le début des années 1990, les préoccupations de la communauté scientifique et des négociateurs sur la lutte contre le changement climatique ont porté principalement sur la question de la réduction des émissions de gaz carbonique. Il y avait et il y a encore en effet d’excellentes raisons à cette priorité : • Le CO2 est le premier gaz à effet de serre par l’importance de ses émissions et de ses conséquences dans le réchauffement. Dans son dernier rapport (1), le GIEC estime en effet que de 1750 à 2010 le forçage radiatif attribuable aux émissions de CO2 représente 56 % du forçage radiatif imputable à l’ensemble des gaz à effet de serre. • Sa durée de vie dans l’atmosphère dépasse largement la centaine d’années, une longévité qui donne aux politiques (ou à l’absence de politiques) concernant ce gaz un caractère d’irréversibilité, critère majeur du risque encouru, qui doit à juste titre faire réfléchir. • On sait enfin quantifier avec une précision raisonnable les quantités d’émission des principales sources de CO2. Il est donc bien normal que les objectifs de réduction d’émission de CO2 aient toujours occupé le devant de la scène scientifique et politique.
Cette attention compréhensible commence à porter ses fruits. Depuis quelques années on assiste à un ralentissement de la progression des émissions de CO2 mondiales. D’autre part, les politiques affichées au titre de l’accord de Paris, les premiers effets des campagnes de désinvestissement du charbon engagées par de grandes ONG et une série d’initiatives locales portant sur le désengagement des énergies fossiles et le développement des renouvelables peut faire raisonnablement espérer une décroissance significative des émissions de CO2 d’origine énergétique dans la décennie qui vient.
1 – QU’EN EST-IL DES GAZ À EFFET DE SERRE AUTRES QUE LE CO2 ?
Les deux autres principaux gaz à effet de serre, le méthane CH4 et l’oxyde nitreux N2O ne bénéficient pas de la même attention. Pour ce qui est du méthane, le rapport du GIEC déjà cité nous rappelle pourtant son importance puisqu’il serait responsable, de manière directe ou indirecte, et sur la même période 1750–2010, de 32,3% du forçage radiatif total.
Le méthane présente une série de caractéristiques qui peuvent expliquer l’importance moindre qu’on lui accorde dans la plupart des analyses économiques : • Sa durée de vie dans l’atmosphère est beaucoup moins élevée que celle du CO2, de l’ordre d’une douzaine d’années (2). Au terme de réactions complexes, il se transforme en effet en différents gaz (vapeur d’eau, ozone, CO2), qui sont eux-mêmes à l’origine de réchauffement climatique. • Par contre, son efficacité radiative par unité de poids est de l’ordre de 120 fois plus élevée que celle du CO2. La combinaison de ces deux particularités conduit à une variation importante de l’effet du CH4 sur le climat en fonction du temps qui s’écoule entre l’instant de l’émission et l’horizon des effets auquel on s’intéresse. Pour en tenir compte, les climatologues ont développé un indicateur « le Pouvoir de réchauffement Global (PRG) ». Le PRG d’un GES autre que CO2 est défini comme le rapport entre la perturbation du bilan radiatif de la terre pendant un temps déterminé qui suit l’émission ponctuelle d’un kg de ce GES et la perturbation sur la même période qui suit l’émission ponctuelle au même instant d’un kilogramme de CO2.
L’amplitude de variation des valeurs du Pouvoir de réchauffement global du méthane (PRG), très particulière à ce gaz, en est l’illustration (un facteur 4 sur 100 ans). L’abaque en annexe montre par exemple qu’une émission d’1 tonne de méthane en 2020 « vaut », en teqCO2 : 28,5 pour l’année horizon 2120 (100 ans plus tard), 48,4 pour l’horizon 2070, 68,1pour l’horizon 2050, 104,2 pour l’horizon 2030 et 119,6 pour l’horizon 2020. Il n’est donc évidemment plus possible d’utiliser un coefficient d’équivalence CH4-CO2 fixe pour caractériser les efficacités relatives de mesures portant sur le méthane et le CO2 selon l’horizon des conséquences auquel on s’intéresse (3).
• L’origine des émissions du CH4 est beaucoup moins bien renseignée que celle du CO2. Rares sont ceux qui savent que si l’agriculture et l’élevage sont effectivement responsables de l’ordre de 40% des émissions mondiales de méthane, les 60% qui restent se partagent entre les émissions du système énergétique (grisou des mines de charbon, fuites des puits de pétrole et de gaz, en particulier gaz de schistes, fuites de transport et distribution), les déchets ménagers et agricoles, les feux de forêt.
Le méthane est donc victime d’une image brouillée : sa dangerosité est vite oubliée au motif de sa faible durée de vie, ses émissions sont associées dans l’esprit du public et des media à l’alimentation (en particulier carnée), un secteur tabou, et la quantification de ses émissions reste un mystère pour la plupart d’entre nous. La notion de PRG est généralement restée incomprise et conduit à des erreurs d’interprétation qui peuvent être importantes. Cette complexité et cette incompréhension assez générale expliquent largement par exemple pourquoi la croissance des émissions anthropiques de méthane à un rythme inquiétant depuis 2005 (de 318 Millions de tonnes à 360 Mt en huit ans) ne suscite guère de commentaires ni de recherche sur les déterminants sectoriels ou technologiques de cette hausse. Il persiste un profond décalage entre les efforts des chercheurs sur le climat consacrés à la compréhension, à la fois expérimentale et théorique, du comportement du méthane (4) et sa prise en compte en tant que tel dans les études économiques comme dans les messages envoyés aux décideurs, et donc dans l’élaboration de politiques de réduction des émissions spécifiques à ce gaz.
Le N2O quant à lui trouve l’essentiel de son origine dans les pratiques agricoles avec un recours souvent excessif aux engrais azotés. Son efficacité radiative est très élevée (de l’ordre de 300 fois celle du CO2) mais comme sa durée de vie dans l’atmosphère est élevée, cette efficacité reste pratiquement constante sur 100 ans. Entre 1750 et 2010 sa contribution au forçage radiatif global n’est que de 5,9%. Au total CO2, CH4 et N20 contribuent à près de 95% du forçage radiatif des gaz à effet de serre qui se mélangent de façon homogène dans l’atmosphère.
Mais les chiffres précédents mettent bien en évidence l’importance particulière du méthane, sur la période qui s’étend de 1750 à 2010, même si elle reste encore très en deçà de celle du CO2, surtout dans une période d’explosion de l’utilisation des fossiles et en particulier du charbon. Cette période semble aujourd’hui dépassée et les émissions de CO2 d’origine énergie fossile vont décroître fortement dans les décennies à venir si les efforts entrepris sont couronnés de succès. Sans effort spécifique de réduction, le méthane, va donc mécaniquement devenir rapidement prépondérant, d’autant qu’on a découvert récemment que sa nocivité était plus importante qu’on ne l’imaginait. Myhre Etminan, Highwood, Shine et al (5) ont en effet montré récemment que l’impact de l’absorption dans les courtes longueurs d’onde infra-rouge (1-5μ sur le forçage radiatif produit par une élévation de concentration de méthane atmosphérique, augmentait de l’ordre de 30% le forçage radiatif attribuable à l’absorption des grandes longueurs d’onde (aux alentours de 1300 cm-1).
2 – ÉVALUER SIMPLEMENT L’IMPACT DES GAZ AUTRES QUE LE CO2 SUR L’ÉVOLUTION DE LA TEMPÉRATURE DE L’ATMOSPHÈRE
2.1 Les trajectoires d’émission de GES à l’horizon 2100 élaborées par le GIEC
Les climatologues ont développé une série de familles de modèles qui permettent d’estimer la température de l’atmosphère à partir d’une description de l’évolution en termes physiques des émissions des gaz à effet de serre (6) aux différents horizons de scénarios contrastés, non seulement en termes de quantité globale des GES émis annuellement mais aussi de proportion des différents gaz dans cette évolution. Les figures 3, 4 et 5 sont des exemples (7) de ces scénarios de trajectoires d’émission des trois principaux GES (CO2, CH4, N2O) qui servent aujourd’hui de référence à de nombreuses études.
2.2 Des trajectoires d’émissions au réchauffement climatique
A partir de ces données, des propriétés physiques et chimiques de ces gaz et des constantes de temps qui gouvernent leur évolution dans l’atmosphère, les climatologues reconstituent l’évolution des concentrations de chacun des GES considérés, accèdent à une « concentration équivalente CO2 » (8) (exprimée en ppm éqCO2) définie comme la concentration en CO2 qui produirait les mêmes effets à tout instant sur le climat que le mix de GES étudié, et enfin aux températures de l’atmosphère au cours du temps pour chacun des scénarios envisagés. Le rapport du GIEC a présenté une synthèse de ces travaux sous la forme d’un graphique (9) (reproduit en figure 6) comparant quatre classes de scénarios considérés comme des scénarios de référence qui aboutissent à des concentrations, des forçages radiatifs et des augmentations de température contrastés en 2100 présentées dans le tableau 1.
La courbe noire quasi linéaire que l’on observe sous les courbes de couleur associées aux différents scénarios atteste de l’étroitesse de cette liaison.
On peut donc considérer que la droite y = 0,444/1000*x, y étant exprimé en degrés C et x en Gt de CO2 représente avec une bonne marge de certitude l’évolution de la température moyenne à la surface du globe en fonction du cumul des émissions de CO2 des différents scénarios.
Nous appelons cette droite « droite CO2 » dans la suite de la note.
La même figure 6 montre également que les trajectoires de température associées aux différents scénarios se situent systématiquement au dessus de la courbe « Effet en température » en fonction de « Cumul des émissions de CO2 seul » ou « droite CO2 ». C’est a priori logique puisque les scénarios en question cumulent à la fois un historique d’émissions de CO2 et des historiques d’émission des autres gaz à effet de serre, en particulier de CH4 et de N2O.
2.3 Calcul des augmentations de température pour cinq scénarios représentatifs
Nous avons entrepris de calculer les augmentations de température entre les « années 2000 » et les « années 2090 » de la figure 4 pour les cinq scénarios de trajectoires présentés au paragraphe 2.1 en utilisant la « droite CO2 », de la façon suivante :
a) Les figures 3, 4 et 5 fournissent les valeurs en unités physiques (Gt et Mt) des émissions de chacun des trois GES pour chaque scénario.
b) Ces valeurs en unités physiques sont ensuite traduites en GteqCO2, directement pour CO2, avec un PRG constant pour N2O et, en ce qui concerne CH4, en utilisant l’abaque en annexe qui donne la valeur du PRG, par pas de cinq ans, pour chaque émission de 2000 à 2120 et chaque année horizon de 2000 à 2120.
c) On calcule ensuite les cumuls en GteqCO2 pour chaque gaz, entre « années 2000 » et « années 2090 ».
d) Ayant ainsi calculé ces cumuls, on en déduit les augmentations de température causées par les émissions de chacun de ces gaz selon le scénario étudié par la formule : Augmentation de température (en °C) = 0,444*Cumul de « années 2000 » à « année 2090 » /1000 (en GteqCO2).
Les tableaux 2 et 3 présentent les résultats de ces calculs.
On constate en particulier l’importance du rôle du CH4 dans l’augmentation de la température à l’horizon 2100. Cette importance est d’autant plus grande que les scénarios affichent des réductions ambitieuses de CO2.
3 – UN ALGORITHME SIMPLE D’APPRÉCIATION DES CONSÉQUENCES CLIMATIQUES DE SCÉNARIOS DIVERSIFIÉS
3.1 Une relation linéaire entre cumuls et augmentation des températures
Sur la base mêmes des conclusions et des commentaires effectués par le GIEC dans son dernier rapport, il est donc possible de mettre en place un algorithme d’une grande simplicité d’usage qui permet d’apporter une première appréciation des conséquences climatiques de stratégies de lutte contre le changement climatiques diversifiées à des horizons de temps également diversifiés, sans avoir besoin d’engager des campagnes de calcul ambitieuses fondées sur l’exploitation de différents modèles climatiques. L’algorithme en question fondé sur une moyenne des résultats d’un très grand nombre de modèles consiste simplement en une fonction linéaire liant l’augmentation de température moyenne à la surface du globe à une date donnée au cumul des différents gaz à effet de serre émis jusqu’à cette date, comptabilisé en tonnes d’équivalent CO2 avec la règle des PRG entre l’année d’émission et l’année horizon à laquelle on s’intéresse :
où X est mesuré en GteqCO2 calculées à partir des PRG des différents gaz disponibles sous forme d’abaques. En pratique, seul le CH4 présente un pouvoir de réchauffement global qui varie significativement dans le temps (un rapport 4 en 100 ans). C’est donc l’abaque en annexe relatif au CH4 qui est utilisé.
3.2 Un exemple d’utilisation
On se propose de comparer au scénario Image 2,6 un scénario analogue en tous points, à ceci près que les émissions de méthane qui atteignent aujourd’hui déjà 0,36 Gt restent constantes à ce niveau tout au long de la période. Cette hypothèse n’a rien de déraisonnable dans un contexte de croissance constante des émissions anthropiques de méthane depuis le début des années 2000 et d’absence de politique mondiale volontariste de réduction de ce gaz.
Le tableau 4 permet la comparaison des cumuls de CH4 dans les années 2090 et des augmentations de température qui y sont associées.
Dans la variante « CH4 constant » on voit que l’augmentation de température entre les années 2000 et 2090 provient principalement du CH4. L’augmentation de température depuis 1860 qui était limitée dans le scénario Image 2,6 à 1,70 degré environ (dont 0,8 déjà acquis en 2020) atteint alors 2,15 degrés, et dépasse nettement la limite de deux degrés considérée comme un objectif majeur par les climatologues. On voit que les très considérables efforts consentis sur la réduction des émissions de CO2 dans le scénario Image 2,6 pourraient être ainsi totalement remis en cause par l’absence d’une politique suffisamment volontariste de réduction du CH4 sur la même période.
ÉLÉMENTS DE CONCLUSION
L’analyse à laquelle nous venons de nous livrer, entièrement fondée sur les résultats mis en évidence dans les rapports les plus récents du GIEC, nous conduit à mettre en avant plusieurs points.
Il apparaît tout d’abord qu’on peut, à travers un algorithme d’une grande simplicité, apprécier les augmentations de température à l’horizon 2100 d’une grande variété de scénarios comportant des mix de gaz à effet de serre également diversifiés en attribuant à chacun de ces gaz sa part dans le réchauffement attendu. La relation entre cette augmentation de température et le cumul en GteqCO2 sur l’ensemble de la période s’écrit : y = 0,444Σxi/1000, où xi représente le cumul en GteqCO2 sur la période considérée du gaz i. On obtient ainsi l’effet en température de chacun des gaz ainsi que l’effet de leur ensemble.
L’analyse effectuée qui permet de discriminer la responsabilité des chacun des gaz à effet de serre dans l’augmentation de température attendue d’un scénario d’émission déterminé, met au jour l’importance majeure à attribuer aux réductions d’émission de méthane dans la lutte contre le réchauffement climatique.
Il est d’autant plus nécessaire d’être vigilant à cette question que la présentation retenue par le GIEC dans le rapport déjà cité, illustrée par la figure 7 ci dessous basée sur une comptabilité des différents gaz à effet de serre à 100 ans et non pas à une date déterminée (2050 ou 2100 par exemple) masque largement le phénomène.
A la lecture de cette figure les décideurs peuvent en effet très bien choisir en toute bonne foi des stratégies qui s’expriment par un scénario d’émissions respectant le tracé figurant sur la figure 7, sans se rendre compte que le mix de gaz à effet de serre qu’ils ont choisi conduit en réalité à des résultats très différents de ceux attendus à l’horizon 2100. L’algorithme dont nous préconisons l’usage devrait permettre d’éviter ce type de confusion et de garantir aux décideurs la cohérence de leur stratégie par rapport aux objectifs affichés.
[Accès note « ... scénarios de référence du GIEC » : (11) ]
Cet outil pourrait enfin, dans la perspective du dialogue de facilitation de 2018, contribuer à mettre mieux en avant, en les comptabilisant à leur juste valeur les efforts de réduction des émissions de méthane souvent entreprises par certains pays, en particulier du monde en développement, et dont l’importance n’est pas aujourd’hui reconnue.
Benjamin Dessus, Bernard Laponche, Hervé Le Treut
Abaque PRG CH4[Annexe]
Valeurs du PRG du méthane CH4 permettant d’exprimer la valeur de l’émission d’une tonne de CH4 en teqCO2 , en fonction de l’année d’émission et de l’année horizon TH
Version au format A4 : Abaque PRG CH4[485 ko, 1 page, fichier pdf]
Notes
(1) « Changement climatiques 2014, Rapport de synthèse, Résumé pour les décideurs » : AR5_SYR_FINAL-SPM_fr
(2) Cela ne veut pas dire, comme on le comprend souvent à tort, qu’au bout de 12 ans tout le méthane émis a disparu mais que sa décroissance suit une loi exponentielle du type e-t/12. Il ne reste que 37% du CH4 douze ans après son émission, mais encore 19% vingt ans plus tard et 1,6% cinquante ans plus tard.
(3) En conséquence les plaidoyers sur l’intérêt relatif du choix d’un horizon de 20 ou de 100 ans pour la détermination du PRG d’un gaz comme le méthane n’ont pas grand intérêt. Le seul horizon qui compte est celui auquel on souhaite estimer l’influence de l’émission ponctuelle de ce GES. D’où la nécessité d’utilisation d’une abaque dans l’étude de scénarios prospectifs qui permet d’attribuer à chaque émission ponctuelle réalisée une année donnée l’influence réelle qu’elle aura par rapport au CO2 à l’horizon d’observation choisi.
(4) Notamment projet du satellite MERLIN (« Methane remote Lidar sensing mission » – En français : « Mission de télédétection du méthane »), développé par l’Allemagne et la France, qui a pour objet de mesurer la distribution spatiale et temporelle des émissions de méthane pour l’ensemble de la planète.
(6) Les émissions de GES sont exprimées généralement en Gt (gigatonne ou milliard de tonnes) pour le CO2 et Mt (mégatonne ou million de tonnes) pour CH4 et N2O.
(8) L’équivalence CO2 en concentration, exprimée en ppm eqCO2 est à ne pas confondre avec l’équivalence en émissions, exprimée en teqCO2. Ce sont deux grandeurs différentes.
(9) Référence : « Changements climatiques 2013, les éléments scientifiques. Résumé à l’intention des décideurs » (WG1AR5_SPM_brochure_fr.pdf) – Page 26.
(10) RCP : Representative Concentration Pathway. En français : « Profil représentatif d’évolution de concentration ».
(11) Référence : « Changements climatiques 2014, Rapport de synthèse, Résumé pour les décideurs » (AR5_SYR_FINAL-SPM_fr).
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