Evolutions récentes du CO2 atmosphérique (3/4)

par J.C. Maurin, Professeur agrégé de physique

En cas de citation prière de mentionner J.C. Maurin  « Evolutions récentes du COatmosphérique (3/4) » http://www.science-climat-energie.be/2018/11/12/evolutions-recentes-du-co2-atmospherique-3-4/

L’IPCC (GIEC en français) fut créé en 1988 par l’UNEP (United Nations Environment Programme) et le WMO (World Meteorological Organization). Dans les principes régissant les travaux du GIEC (1) on lit : Le GIEC a pour mission d’évaluer … les risques liés au changement climatique d’origine humaine.  Le GIEC respecte son propre principe fondateur : il attribue l’intégralité de la hausse du taux de CO2 depuis 1958 à une cause anthropique. Nous examinerons ici le modèle anthropique du GIEC et nous le confronterons aux mesures contemporaines, puis à un modèle mixte. Cet article fait suite aux deux précédents publiés sur le site SCE au cours des mois de septembre (1/4) et octobre 2018 (2/4).

C.   Modèle anthropique GIEC

C.1   Les contraintes des modèles (Fig. 1)

Le paragraphe A (article 1/4) a montré qu’en 1980 le taux de CO2 atmosphérique était de 338 ppm et le  δ13C de -7.6 ‰. En  2010 le taux de CO2  atmosphérique était de 388 ppm et le δ13C de -8.3 ‰. Il existe une modulation annuelle de ce taux, très marquée dans l’hémisphère Nord.


Le paragraphe B (article 2/4) a montré qu’il existe une corrélation entre la croissance annuelle du CO2  et la température de la surface océanique. Une corrélation similaire existe également avec le δ13C.

Un modèle scientifique des évolutions récentes du CO2 doit respecter les valeurs numériques indiquées. Il est souhaitable que le modèle propose également une explication pour les corrélations température/taux de CO2 et température /δ13C.
Un modèle respectant les contraintes sera provisoirement acceptable, un modèle ne les respectant pas est à rejeter, c’est le principe de toute démarche scientifique rigoureuse.


C.2  Modèle anthropique du GIEC (Figs. 2 et 3)

Le modèle GIEC des évolutions récentes du CO2 est décrit dans le cinquième rapport du GIEC au chapitre 6 (1).

C.2.1.  Remarques préliminaires

• Selon le GIEC (Figs. 2a et 2b) le taux « naturel » de carbone (en noir) dans l’atmosphère serait de 589 PgC soit 280 ppm de CO2. Depuis le début des observations en 1958, les mesures précises et bien calibrées ont rapporté des taux supérieurs à 315 ppm de CO2. Cette valeur de 280 ppm ne peut donc provenir que d’un proxy d’archives glaciaires et dater d’avant 1958.  L’intégralité de la hausse de la teneur atmosphérique du CO2  dans le schéma du GIEC (240 PgC = 112 ppm) est attribuée à l’homme, et est donc d’origine anthropique (en rouge). On retrouve aussi cette même affirmation dans le « résumé pour les décideurs » (1).

• La durée de séjour d’une molécule de CO2, calculée à partir des valeurs mêmes du schéma du GIEC (Figs. 2a et 2b), donne 390/96 ou 390/94 ≈ 4.1 an. On peut calculer que chaque année 25% du stock total de CO2 atmosphérique est renouvelé par les entrées de CO: au total cela donne 96 ppm/an, avec 96% de CO2 naturel (≈ 92 ppm/an) et 4% de CO2 anthropique (≈ 4.2 ppm/an) (Un comportement similaire du CO2 anthropique ou naturel est vérifié dans la feuille de calcul (7) (cf. onglet Mixte vs GIEC).

• En tenant compte des entrées liées à la nature (96%) et de celles liées à l’homme (4%), nous devrions alors avoir un stock naturel de 374 ppm (96% de 390 ppm) et un stock anthropique de 17 ppm (4% de 390). Ceci est en nette contradiction avec les 112 ppm de CO2 du même schéma du GIEC (Fig. 2a).

Pour faciliter la comparaison avec la Fig.1, nous utiliserons par la suite le schéma de la Fig. 2c, qui est une simple adaptation de celui du GIEC (Figs. 2a et 2b).

C.2.2.  Remarques complémentaires

• Le schéma de la Fig. 2c ne considère que les entrées et sorties en provenance de l’océan, la végétation et l’homme, l’échange « Autre » est  quasiment réduit à l’homme : ce schéma présuppose une connaissance quasi-parfaite de tous les échanges (voir ici).

• Le modèle de la Fig. 2c présente des valeurs globales en entrée (96 ppm) et en sortie (94 ppm) compatibles avec les contraintes de la Fig. 1, mais il faut savoir que les valeurs pour les échanges avec l’océan (≈ 36 ppm) et la végétation (≈ 56 ppm) sont en réalité largement inconnues. ainsi que nous le verrons dans la partie 4/4.

• Les entrées et sorties pour l’océan (Fig. 2c) sont quasi égales (+36 ppm et –37 ppm).
Les entrées et sorties pour la végétation seraient aussi quasi égales (+56 ppm et -57 ppm).
Il y a un siècle, les entrées et sorties pour l’océan et la végétation seraient similaires à celles d’aujourd’hui. Le schéma du GIEC décrit, de fait, un monde équilibré, statique, quasi immuable, excepté un unique changement notable en un siècle souligné par la flèche rouge qui représente l’influence anthropique. Avec de telles hypothèses, l’homme sera forcément le seul responsable de la hausse du CO2 et le GIEC respecte alors son principe fondateur (1): Le GIEC a pour mission…. risques liés au changement climatique d’origine humaine.

• Il n’y a pas de corrélation entre les émissions anthropiques et la variation annuelle de CO2 (Fig. 3).

• Une cause exclusivement anthropique n’explique pas la bonne corrélation entre « température » et variation annuelle du taux de CO2  (Fig. 3). Il est plus logique de relier la courbe rouge (variation annuelle du CO2) à la courbe verte (variation de température de l’océan intertropical) plutôt qu’à la courbe noire (émissions anthropiques). Ceci signifie que la température de l’océan intertropical est une meilleure piste que les émissions anthropiques pour expliquer les évolutions récentes du CO2 dans l’atmosphère. Nous explorerons cette piste dans l’épisode 4/4.

C.3. Validité du modèle anthropique du GIEC (Fig. 4)

C.3.1.  Incompatibilité du modèle GIEC avec le δ13C

On cherche à déterminer, à partir de l’atmosphère de 1980 (338 ppm de CO2  et δ13C = -7.6 ‰) comment passer vers celle de 2010 (388 ppm de CO2  et δ13C = -8.3 ‰).

Nous allons voir qu’entre 1980 et 2010, la variation du δ13Cdes observations (établies à partir des mesures) ne peut pas être entièrement attribuée à l’homme (Fig. 4a).

Cependant, nous pouvons calculer que le passage de δ13C de –7.6‰ à –8.3‰ en 30 ans (valeurs observées) ne peut pas se faire si c’est l’homme qui est responsable de la totalité de l’accroissement observé (50 ppm). En effet, les combustibles fossiles ayant un δ13C de l’ordre de  –29‰, nous pouvons calculer que pour la période s’étendant de 1980 à 2010 on devrait obtenir un δ13C de –10.4‰  [(-7.6*338) +(-29*50)] /388 = -10.4 ‰]. Ceci est en contradiction avec les observations (milieu de la Fig. 4a). Si nous tenons compte d’un apport mixte (naturel et anthropique), et que nous utilisons le “Modèle mixte 1” (voir plus loin) nous obtenons un δ13C de –8.3‰ en totale conformité avec les observations (bas de la Figure 4a) [(-7.6*338)+(-29*22)+(-0.5*28)]/388 = –8.3 ‰. Le “Modèle mixte 1” considère que 22 ppm proviennent de l’homme (au lieu de 50 ppm) et que 28 ppm proviennent de la nature (au lieu de 0 ppm).

La  valeur de 50 ppm en 30 ans selon le GIEC (388–338 = 50 ppm) est également contredite par la proportion nature/homme pour les entrées du même schéma du GIEC : seulement 17 ppm seraient anthropiques dans l’atmosphère en 2010 (les dates 1980-2010 entraînent les écarts 388/390 et 372/373).  En utilisant le δ13C, on trouve ≈ 22 ppm, valeur similaire, avec le mélange anthropique + naturel du modèle mixte 1. Divers auteurs (5) ont également  abouti a environ 20 ppm pour le taux de CO2 anthropique dans l’atmosphère.

Il n’est pas possible de retrouver le δ13C des observations avec un apport net de CO2 de 100% anthropique et de 0% naturel  (voir aussi Fig 5b). Le modèle anthropique du GIEC est auto-contradictoire, donc non conforme à la logique et surtout en contradiction avec les mesures du δ13C : il est donc à rejeter.

C.3.2.  Les modèles mixtes (Fig. 5)

On désignera par modèle mixte un modèle qui attribue les évolutions récentes du CO2 à un mélange d’apports naturel et anthropique. Il existe de multiples modèles mixtes (Fig. 5b), suivant le type d’apports nets naturels et leur quantité, permettant de retrouver δ13C = -8.3 mesuré en 2010.

Notons que la combustion de matières fossiles (gaz naturel, charbon, pétrole) produit du CO2 qui présente une déviation isotopique de l’ordre de –27 à –30‰, valeurs caractéristiques du CO2 industriel (Fig. 5a).

Suivant le choix du couple de valeurs (l’apport net et le δ13C, fond rose Fig. 5b), il existera de très nombreuses possibilités pour retrouver une valeur du δ13C = –8.3 ‰ en 2010. Le tableau de la Fig. 5b présente quatre exemples de modèles mixtes. Le tableau de la Fig. 5a permet d’identifier les apports possibles. La feuille de calcul (7) permet d’explorer divers modèles mixtes (cf. onglet  Mixtes & d13C, ascenseur en cellule E10).

Le modèle mixte 1 correspond à des apports nets de l’océan et/ou de la lithosphère. Ce modèle mixte 1 sera développé dans une partie 4/4  à suivre.

Pour obtenir un apport naturel qui soit minoritaire, on doit considérer un δ13C = +11 ‰  (modèle mixte 2 → [(338*-7.6)+(30*-29)+(20*11)] /388 = –8.3 ‰ . Cependant, existe-t-il un apport naturel avec un δ13C valant +11 ‰ ? L’ apport naturel avec δ13C = –7.6 ‰ est majoritaire pour obtenir le δ13C mesuré (modèle mixte 4→ [(338*-7.6)+(13*-29)+(37*-7.6)] /388 = –8.3 ‰.

C.4.  Conclusions

  • Un modèle qui décrit un monde fixe, en équilibre, un modèle où l’homme est central, un modèle qui parvient à reproduire certaines observations mais pas toutes, un modèle unanimement soutenu par les autorités politiques ou morales, enfin un modèle qui pose a priori un principe intangible… est le type même de modèle qui fut développé  par Ptolémée (6) pour le système solaire. Ce modèle fut jadis l’objet d’un consensus  > à  97%.
  • L’atmosphère actuelle comporte environ 20 ppm de CO2 anthropique correspondant à 20/400 soit 5% du CO2 atmosphérique. En un siècle les hommes ont donc modifié la composition de l’atmosphère de 20 ppm soit 0,002% : sur ce sujet également, il semble que nous ne soyons pas au centre du monde.
  • Les évolutions récentes du CO2 atmosphérique ne peuvent pas avoir une cause uniquement anthropique: les observations du δ13C l’interdisent. Les causes sont anthropiques et naturelles. Le modèle purement anthropique du GIEC est donc à rejeter.

La partie 1/4 a rappelé les observations, la partie 2/4 a développé les corrélations, cette partie 3/4 réfute le modèle purement anthropique et montre l’obligation d’un modèle mixte pour expliquer les évolutions récentes du CO2 atmosphérique. La dernière partie 4/4 (à suivre) proposera donc un modèle de type mixte, qui sera en accord avec les observations et expliquera les corrélations avec la température océanique, contrairement au modèle du GIEC.

Partie 4/4 de l’article ici.

Références

1. Principes régissant les travaux du GIEC, § Rôle   http://www.ipcc.ch/pdf/ipcc-principles/ipcc_principles_french/ipcc_principles_fr.pdf. Résumé pour les décideurs  B.5 en page 12 : « Parmi ces émissions anthropiques cumulées de CO2, 240 [230 à 250] GtC se sont accumulées dans l’atmosphère ». Fifth Assessment report (AR5).

2. Mesures du taux de CO2 et variation annuelle ESRL NOAA  Earth System Research Laboratory

3. Rapport isotopique Carbon Dioxide Information Analysis Center  iso-sio  CDIAC.

4. Emissions anthropiques Fossil-Fuel CO2 Emissions  CDIAC.

5. Taux anthropique de CO2 dans l’atmosphère : Camille Veyres      Herman Harde      Edwin Berry.

6. Le système de Ptolémée posait par principe la centralité de la Terre et le mouvement circulaire. Il est parvenu à survivre pendant des siècles grâce à l’ajout de  « déférents » et autres « épicycles ». Lorsqu’il fut contredit par des mesures précises, on rajouta des « équants » dans le but de sauver le principe fondateur. Ceux qui avaient le plus à perdre incitèrent même les plus ignorants à persécuter les contradicteurs. S’il existait aujourd’hui un Institut Ptolémée pour la Culpabilité du Carbone (IPCC), déférents et épicycles se nommeraient « airborne fraction »  ou « formule de Berne ». Le vocable « équants » se prononcerait « modèle en compartiments » ou  « decay time of a pulse of CO2».

7. La feuille de calcul « CO2 GIEC» met en forme les données d’observations, explore les modèles mixtes, estime quelques ordres de grandeurs.

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7 réflexions au sujet de « Evolutions récentes du CO2 atmosphérique (3/4) »

  1. J’ai du mal à vous suivre, Où donc est passé le CO2 émis par la combustion des fossiles ?

    Auriez vous oublié le premier principe ? Celui de la conservation de l’énergie ? On a quand même pris plus de 100 ppm depuis le début des mesures à Mauna Loa.

    D’autre part la diminution du taux de O2 est en accord avec l’augmentation du taux de CO2 fournissant ainsi la preuve que c’est la combustion qui est à l’origine de cette augmentation.

    1. Robert, vous dites que vous ne savez pas ou est passé le CO2 émis par la combustion des fossiles. Mais c’est le thème de l’article! Il est écrit que le GIEC considère que tout le CO2 émis par la combustion des combustibles fossiles va dans l’atmosphère et est responsable de l’augmentation de 50 ppm observée. Il est ensuite démontré dans l’article que si c’était le cas, le d13C ne serait pas celui que l’on observe. Vous devriez être plus attentif en lisant les articles.

      Vous parlez ensuite du principe de la conservation de l’énergie. Mais votre commentaire est hors propos. L’article ne parle pas d’énergie ni de flux radiatifs mais de concentration de CO2.

      Vous dites ensuite que la diminution du taux de O2 est en accord avec l’augmentation du taux de CO2 fournissant ainsi la preuve que c’est la combustion qui est à l’origine de cette augmentation. Commencez donc par fournir une référence (publication scientifique) traitant de ce problème. Sans références vos paroles s’envolent dans l’atmosphère!

      1. Vous dites : “En un siècle les hommes ont donc modifié la composition de l’atmosphère de 20 ppm”, alors je demande où est passé le CO2 anthropique émis par nos activités (et mesuré) dont la moitié environ est absorbé par les océans ? En un siècle nous sommes passés de 280 à 400 ppm et nous avons pris environ 70 ppm depuis 1970. Je vous demande ce qui est à l’origine de cette augmentation si rapide..

        Pour le rapport CO2/O2 je vous laisse chercher, ça permettra de nous montrer votre bonne foi.

  2. Il y a des problèmes avec cet article.
    Premièrement, il faut tenir compte du fait que le bilan de masse doit être respecté. L’homme ajoute 4 ppmv / an et la nature en absorbe 2 ppmv / an. Le bilan de masse indique donc que la contribution de la nature à l’augmentation du CO2 est pratiquement nulle.
    D’autre part, le calcul de δ13C est basé sur l’hypothèse que tout le CO2 humain original est resté dans l’atmosphère. Ce n’est bien sûr pas le cas: 20% / an de tout le CO2 dans l’atmosphère a été remplacé par du CO2 provenant d’autres réservoirs, notamment des océans profonds, avec un δ13C supérieur à celui de l’atmosphère. Avec environ 40 Pg de CO2 / an d’échanges entre les océans profonds et l’atmosphère, on peut expliquer à la fois l’augmentation de CO2 et la diminution de δ13C par l’homme …
    Voir: http://www.ferdinand-engelbeen.be/klimaat/klim_img/deep_ocean_air_zero.jpg
    (traduit par Google Translate, pas de problème pour lire le français, mais écrire est un peu plus difficile)

    1. @ F engelbeen
      Merci pour votre patience. La partie 4/4 est désormais publiée : comme convenu, voici donc ma réponse.
      1) Un bilan équilibré d’un modèle MP est visible à la figure 8b du 4/4. Le bilan de masse est parfaitement respecté.
      2) Mon calcul de δ13C n’est pas basé sur l’hypothèse que “tout le CO2 humain original est resté dans l’atmosphère” (la référence 1 du présent article 3 / 4 vous a échappé) Il est bien question de la totalité de la hausse du CO2 atmosphérique et non de la totalité des émissions anthropiques.
      Selon le GIEC, cette hausse correspondrait à 50% de nos émissions anthropiques.
      Vous lirez la référence 7 de l’article 4/4 : le GIEC y prétend que la moitie et non la totalité des émissions anthropiques restent dans l’atmosphère. Cette valeur de 50 % est une hypothèse. Cette hypothèse est réfutée en détail dans le présent article 3/4.
      Dans l’article 4/4, le texte entre les Figs 7a et 7b invalide à nouveau l’hypothèse ad hoc des 50% , cette fois à partir des ratios de sortie.
      3) Pouvez-vous donner les références pour « environ 40 Pg/an de CO2 pour les échanges entre océans profonds et atmosphère »
      Par ailleurs, ne s’agit-il pas de 40 PgC/an ? (Carbone plutôt que CO2)

      1. @JC Maurin

        1) Répondu en 4/4

        2)-3) Convenu que vous n’avez pas supposé que tout le CO2 induit par l’homme restait dans l’atmosphère.

        Le problème principal de tout le raisonnement est qu’il s’agit d’un mélange de changements isotopiques et de changements de masse:
        Les émissions humaines ajoutent à la masse totale de CO2 dans l’atmosphère et diminuent son niveau de δ13C.
        Les cycles du carbone naturel réduisent actuellement la masse totale de CO2 dans l’atmosphère et augmentent son niveau de δ13C.

        Ainsi, alors que l’augmentation (presque) totale de la masse de CO2 dans l’atmosphère (environ 50% de l’apport humain) provient d’émissions humaines, la diminution de δ13C est un mélange d’apport humain et de la circulation naturel, principalement des profondeurs des océans.

        La surface de l’océan et la végétation sont en équilibre rapide avec l’atmosphère pour les changements isotopiques (taux de change moyen inférieur à un an).
        Pas si pour les profondeurs des océans. Ce qui est absorbé aux pôles est la composition isotopique d’aujourd’hui. Ce qui revient la même année, c’est la composition isotopique d’il ya environ 1 000 ans, bien avant les émissions humaines. Cela signifie que tout échange avec les océans profonds augmentera le niveau isotopique vers l’équilibre préindustriel qui était de -6,4 ± 0,2 par mille, mesuré dans les carottes de glace au cours de la majeure partie de l’holocène (y compris le fractionnement eau-air et inverse des isotopes). Voyez depuis 600 ans environ la composition isotopique de la surface de l’océan et l’atmosphère:
        http://www.ferdinand-engelbeen.be/klimaat/klim_img/sponges.jpg

        Ajoutons à cela le fait que la végétation est aussi un puits net de CO2, préférentiellement 12 CO2, laissant ainsi relatif plus de 13CO2 dans l’atmosphère, augmentant également son niveau de δ13C.

        En supposant que -6,4 pour mille soit le changement net causé par toutes échanges de CO2 avec les océans profonds, on peut estimer le flux océan profond-atmosphère, car cela “dilue l’empreinte” humaine. Une circulation de CO2 d’environ 40 GtC/an entre les sources équatorial et les puits polaires fera l’affaire, sans compter le rôle de la végétation.
        La circulation océanique profonde à 40 GtC/an n’est qu’une estimation fondée sur les variations du niveau de δ13C.

        Le point n’est pas les flux d’échange exacts, le point est que le changement de la masse de CO2 dans l’atmosphère est (presque) entièrement causé par les émissions humaines, mais que le changement de δ13C est causé par les émissions humaines en grande partie (environ 2/3) modifié par les échanges océaniques profonds, qui sont eux-mêmes un puits net de CO2 en masse…

  3. @ F Engelbeen du 8 decembre

    a) « Les émissions humaines ajoutent à la masse totale de CO2 dans l’atmosphère et diminuent son niveau de δ13C »
    Nous sommes d’accord sur ce point ci.

    b) « le point est que le changement de la masse de CO2 dans l’atmosphère est (presque) entièrement causé par les émissions humaines » Nous ne sommes pas d’accord sur ce point-là.
    L’article 3/4 montre précisément que le seul apport anthropique devrait entrainer d13C = – 10.4 ‰, en désaccord avec les observations.
    Les apports nets ne sont donc pas seulement le fait de l’homme, une autre source fournit des apports nets, et ceux-ci doivent avoir d13C compris entre -8‰ et 12 ‰

    c) « La surface de l’océan et la végétation sont en équilibre rapide avec l’atmosphère pour les changements isotopiques »
    http://www.ferdinand-engelbeen.be/klimaat/klim_img/sponges.jpg
    Il y a 600 ou 1000 ans, quels étaient les flux (océan / végétation) pour avoir une atmosphère (en équilibre ?) telle que d13C ≈ -6.5 ?
    Pour un unique flux = végétation avec d13C ≈ -26 ‰ l’atmosphère est alors telle que d13C ≈ -26 ‰
    Pour un unique flux = océan avec d13C ≈ 0 ‰ l’atmosphère est alors telle que d13C ≈ 0 ‰
    Mais pour un mélange de flux 25% végétation pour 75% océan nous avons une atmosphère avec d13C = 0.25*-26 + 0.75*0 = -6.5 ‰.
    On peut donc se demander si la répartition 50% végétation et 50% océan (que le GIEC utilise) est bien correcte.
    N’est-elle pas une simple hypothèse ? Enfin il reste possible que d’autres flux existent (flèche Autre dans figure 1 du 3/4)
    Vous comprenez pourquoi ma conclusion du 4/4 débute par « Le cycle du CO2 des dernières décennies est largement inconnu … »

    d) Je constate que vous utilisez désormais 40 GtC/an et non plus les 40 Pg de CO2 /an que vous aviez utilisé dans votre commentaire (15 novembre 18h45min) dans le 3/4. Il s’agit donc bien de carbone et non de CO2 ? Soit 147 Gt CO2 /an ?
    Pouvez-vous m’indiquer une référence pour 40 GtC/an (ou 147 Gt CO2 /an) ?

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