par J.C. Maurin, Professeur agrégé de physique
En cas de citation prière de mentionner J.C. Maurin « Evolutions récentes du CO2 atmosphérique (4/4) » http://www.science-climat-energie.be/2018/12/02/__trashed-4/
Au XVIe siècle, dans une ultime tentative pour sauver le système de Ptolémée, on se résigna enfin à admettre la rotation des planètes autour du Soleil mais on conserva le dogme de la position centrale de la Terre par rapport au Soleil. Le dernier pas vers l’héliocentrisme dut finalement être franchi, à regret. Au XXIesiècle, Le GIEC adapte discrètement son Almageste : on lit dans la version de novembre 2018 du Résumé à l’intention des décideurs dès la première page, 1er encadré de l’introduction → « L’augmentation mondiale de la concentration en dioxyde de carbone est essentiellement due à l’utilisation des combustibles fossiles et aux changements d’affectation des terres ». Fin de cette première page → « La source principale de l’augmentation de la concentration du dioxyde de carbone dans l’atmosphère depuis l’époque préindustrielle provient de l’utilisation des combustibles fossiles ». La certitude absolue, naguère affichée, d’une origine 100% anthropique dans la hausse du CO2 atmosphérique disparaît donc. Un modèle mixte est désormais implicitement admis. A cinq siècles de distance, le dernier pas reste toujours difficile à franchir. Le présent article aide à trouver le chemin de Damas.
D. Le modèle MPO ou Mixte/Proportionnel/Océan
Nous allons modifier le modèle « mixte 1 » développé dans l’article 3/4 en suivant deux étapes supplémentaires afin d’aboutir à un modèle MPO ou Mixte Proportionnel Océan
Le modèle « mixte 1 » avec une hypothèse de proportionnalité va permettre de proposer les modèles de type MP(Mixte Proportionnel).
Nous argumenterons ensuite pour montrer que l’océan est probablement la cause principale des évolutions récentes du CO2 atmosphérique pour aboutir au modèle MPO (Mixte Proportionnel Océan).
Figure 1. Rappels des observations (1/4) et corrélations (2/4).
Les seules valeurs connues sont en rouge.
L’hémisphère Sud présente un taux de CO2 inférieur de ≈2 ppm au taux de CO2 de l’hémisphère Nord. Il existe une modulation annuelle du taux de CO2, très marquée au Nord. Cette modulation est la conséquence de la croissance végétale, elle augmente un peu plus vite que le taux de CO2.
D.1.1 Hypothèse de départ
L’absorption du CO2 par la végétation a augmenté au moins aussi vite que le taux de CO2. → voir article 1/4 §A3 oscillation saisonnière ou bien référence (4).
L’absorption du CO2par l’océan dépend, via la loi de Henry, du taux de CO2 atmosphérique.
Dans la Fig.1, si la sortie « Autre » (largement inconnue, voir ici) est petite devant les 2 autres, alors le total des sorties sera quasi proportionnel au taux de CO2 dans l’atmosphère.
D.1.2 Conséquences de l’hypothèse de départ
La feuille de calcul (8) exploite dans l’onglet « Modèle MP » le modèle mixte avec sorties proportionnelles au taux de CO2. Le calcul des entrées naturelles comprend 3 étapes : calcul du total des sorties de l’année N (simple proportionnalité avec le taux de l’année N) , on ajoute ensuite la variation annuelle du taux entre les années N et N-1 pour obtenir le total des entrées pour l’année N. Les entrées naturelles sont obtenues en soustrayant les entrées anthropiques de l’année N. Il est possible, dans la feuille de calcul, de faire varier la durée de séjour α entre 4 et 7 ans et donc la proportionnalité entre 14% et 25%. (Onglet Modèle MP, ascenseur en cellule B2).
Les figures 3a et 3b donnent les résultats obtenus dans la feuille de calcul avec une proportionnalité de 20% soit une durée de séjour α de 5 ans.
Il est possible de faire varier le δ13C et le ratio des apports nets anthropique/naturel. (onglet Modèle MP, ascenseurs en cellule B8 et E11). Avec un rapport de 44% anthropique pour 56% naturel, nous retrouvons le δ13C observé. L’augmentation des échanges est majoritairement celle des entrées naturelles devant celle de l’entrée anthropique.
A ce stade, le modèle MP se suffit à lui-même. Le modèle mixte 1 de départ (Fig.5b du 3/4) correspond à des apports nets de l’océan et/ou de la lithosphère. Un modèle MPL(Lithosphère) ne sera pas abordé ici. Nous allons considérer maintenant l’océan pour expliquer l’essentiel de la hausse des entrées naturelles, ce modèle MP sera donc désigné par MPO.
D.2 Modèle MPO
D.2.1 Océan: ordres de grandeurs et corrélations
L’océan contient ≈50 fois plus de CO2 que l’atmosphère. La surface d’échange océan/atmosphère est énorme : 70 % de la surface de la Terre soit 360 millions de km².
En 60 ans, si l’océan dégaze 1% de son CO2, cette quantité correspond à 50% du CO2 atmosphérique (entre 1958 et 2010 l’évolution mesurée du taux dans l’atmosphère est + 30%, ce qui est comparable) (2).
Figure 4a. Corrélation « température » de l’océan intertropical versus variation annuelle du taux de CO2 (voir article 2/4 § B.1.1). On trouve une relation approchée d[CO2] /dt ≈ 2.5 (SST) + 1 (voir article 2/4 légende de la Fig 13). La surface en rose sous la courbe rouge représente [CO2] = le taux de CO2. Entre 1980 et 2010 cette surface donne bien les 50 ppm supplémentaires correspondant à l’évolution du taux entre ces 2 dates (depuis 338 ppm vers 388 ppm).
Lors des évènements El Niño de 1998 et 2016 nous avons les 2 plus fortes hausses du taux de CO2 (Fig.4a) ainsi que la plus grande variation du δ13C (Fig.4b): les évènements El Niño concernent principalement l’océan intertropical.
La solubilité dans l’océan du CO2 dépend notamment de la température suivant la loi de Henry (le champagne chaud dégaze : il est préférable de le boire froid). La dépendance à la température de la pression partielle du CO2 océanique fournit une base d’explication pour la relation d[CO2] /dt ≈2.5 (SST) + 1 (voir la légende de la Fig.13 du 2/4).
L’ensemble des considérations ci-dessus permet de comprendre que l’océan peut être un très bon moteur pour les évolutions récentes du CO2
On fait donc l’hypothèse que les 2 corrélations observées reflètent une relation de cause à effet: c’est la température de l’océan intertropical qui provoque l’essentiel des 2 variations (taux de CO2 et δ13C).
D.2.2 Océan : mesures et calculs
Les échanges de CO2 océan/atmosphère dépendent de la différence entre les pressions partielles du CO2 dans l’océan et dans l’air. Suivant le sens, l’océan va dégazer ou bien absorber du CO2. Mais la quantité réellement échangée va dépendre fortement de la vitesse du vent local. Il existe encore d’autres facteurs : alcalinité, température de l’eau, DIC(Dissolved Inorganic Carbon en µmoles / kg), activité biologique, etc. (5). Le calcul est en général impossible par manque de mesures simultanées, a fortiori sur 360 millions de km².
Dans cette zone du Pacifique (Fig.5a) la pression partielle dans l’eau > pression partielle dans l’air donc l’océan dégaze du CO2. Ces données ne suffisent pas pour un calcul de la quantité dégazée sur ce site particulier car il faut connaître simultanément et à chaque mesure la vitesse du vent.
Figure 5b. Les flux de CO2 air/océan selon Takahashi. L’océan émettrait du CO2 dans les zones intertropicales, absorberait dans les hautes latitudes (5).
Ces flux sont obtenus par un calcul théorique, étalonné à partir d’environ 3 millions de mesures obtenues en 50 ans (5). Selon cet auteur pour une année hors El Niño, il y aurait quasiment équilibre : le solde net des flux ≈-2Pg C/an et l’océan absorberait -0.7 ppm /an.
Une estimation (8) du surplus pour une année El Niño donnerait un océan émetteur net ≈ 5 à 10 ppm > aux émissions anthropiques ≈ 4 ppm/an.
L’ensemble des considérations ci-dessus montre qu’il faut prendre toute valeur alléguée en entrée ou sortie du CO2 de l’océan avec prudence : nous ne sommes pas, actuellement, en mesure de connaître ces valeurs globales (voir ici). Les valeurs alléguées par le GIEC pour l’océan (Figs. 2a et 2c du 3/4 Entrée = 36 ppm Sortie = 37 ppm) sont en réalité largement inconnues. On peut dire la même chose pour la végétation (Figs. 2a et 2c du 3/4 Entrée 55 ppm). Pour la difficulté à estimer la décomposition végétale voir ici
D.2.3 Océan: mécanisme
Les corrélations (Fig. 4a et 4b) pointent vers un mécanisme dépendant de la température de l’océan intertropical. Le mécanisme serait celui d’un dégazage de l’océan intertropical (20S – 20N) l’emportant sur l’absorption du reste de l’océan (en moyenne sur plusieurs années). Ce mécanisme serait la principale cause de la hausse du CO2 atmosphérique, avec un complément provenant des émissions anthropiques.
Dans la zone intertropicale, la surface océanique est chaude (température ≈27°C), la solubilité est faible (courbe orange) l’océan est saturé en CO2 : →Dégazage.
Dans les hautes latitudes la surface océanique est froide (température ≈5°C), la solubilité est forte (courbe orange) l’océan n’est pas saturé en CO2 : →Absorption.
La circulation sous la surface de l’océan permet la poursuite du cycle. Même si absorption et dégazage sont proches, en passant d’une absorption ≈ dégazage ≈25 ppm en 1910 vers une absorption ≈ dégazage ≈35 ppm en 2010 alors l’intensification absorption/dégazage aboutirait à une augmentation du taux de CO2 atmosphérique. On peut noter que la variation de la solubilité n’est pas le seul phénomène en œuvre: la température de surface de l’océan intertropical peut aussi influencer l’activité des micro-organismes présents.
D.3 Comparaison modèle GIEC versus modèle MP
D.3.1 Les représentations mentales
On retrouve l’idée d’un système statique qui réagit à une unique perturbation causée par l’homme. Selon le modèle du GIEC, le CO2de l’entrée anthropique demeure à 50% indéfiniment dans l’atmosphère tandis que 50% sont absorbés par la végétation et l’océan à parts égales. Mais les 50 % qui resteraient dans l’atmosphère (triangle x’ Fig.7a) ont pour conséquence une modification du δ13C en désaccord avec les observations (voir §C3 du 3/4).
Une autre conséquence est extraordinaire: nous avons vu (C.2.1 dans 3/4) que les molécules de CO2 qui entrent dans l’atmosphère sont à 5% anthropiques et à 95% naturelles, que l’atmosphère est composée de 5% anthropiques pour 95% naturelles. Pourtant, selon ce modèle GIEC, pour 1000 molécules de CO2 sortantes,on aurait la répartition 975 naturelles pour 25 anthropiques ! Nous devrions évidemment avoir en sortie la répartition 950 naturelles pour 50 anthropiques.
L’erreur (consigne – retour) correspond à la courbe rouge de la Fig.4a (également la Fig.9 du 1/4). La sortie de l’intégrateur correspond à la Fig.2 du 1/4 c’est-à-dire au taux de CO2 observé [CO2]. L’erreur (en entrée de l’intégrateur) est alors évidemment d[CO2]/dt, et la corrélation de la Fig 4a nous indique que l’erreur dépend de la température de l’océan intertropical. On a erreur = d[CO2] /dt ≈2.5 (SST) + 1.
Les deux entrées, en forme de rampe, constituent la consigne : la rampe rouge (entrée anthropique) correspond à la courbe rouge de la Fig.3a (également la Fig.8 du 1/4) La rampe bleue (entrées naturelles) correspond à la courbe bleue de la Fig.3a. L’hypothèse de proportionnalité a pour conséquence une rampe bleue qui augmente plus vite que la rampe rouge. L’augmentation du taux de CO2 en sortie est principalement causée par la rampe bleue et accessoirement par la rampe rouge. L’augmentation du CO2 dans l’atmosphère est d’abord naturelle, avec une contribution anthropique minoritaire.
D.3.2 Les représentations schématiques
Figure 8a. Le modèle anthropique du GIEC considère que le seul changement notable en un siècle est dû à l’homme (voir Figs. 2a 2b 2c du 3/4 ). Les valeurs pour l’océan (+36 ppm et – 37 ppm) sont en réalité largement inconnues. Idem pour la végétation (+56 ppm et -57 ppm).
Dans la Fig.8b, entre 1910 et 2010, tous les flux symbolisés par des flèches (entrées et sorties) ont augmenté → les échanges croissent et c’est la raison principale de la hausse du taux de CO2. La hausse moyenne de 2 ppm/an est répartie en 0.5 ppm/an anthropique et 1.5 ppm/an naturelle. Les flèches grises « Autre » de la Fig.8b rappellent notre connaissance limitée des échanges : les valeurs numériques ne sont présentes que pour montrer l’idée générale, à savoir des entrées dominées par l’océan (+39 ppm ?) et des sorties passives dominées par l’absorption végétale (-41 ppm ?).
Les corrélations température/ variation annuelle du taux ou du δ13C proviennent principalement du dégazage de l’océan intertropical dans le modèle MPO.
Les échanges sont plus intenses dans l’hémisphère Nord (végétation et entrée anthropique), ce qui explique le surplus de 2 ppm entre les hémisphères Nord et Sud.
Le modèle MPO respecte donc l’ensemble des contraintes de la Fig. 1
D.3.3 Un scénario pour les évolutions récentes du CO2 atmosphérique.
Pour les dernières décennies, en lien avec le modèle MPO et les Figs.6 et 7b, on propose la séquence descriptive suivante :
– L’océan intertropical augmente son dégazage (cycles océaniques de 60 ans?);
– En conséquence le taux de CO2 atmosphérique croît;
– Un taux plus élevé de CO2 entraîne une forte croissance végétale ainsi que l’augmentation de l’absorption par l’océan froid des hautes latitudes;
– Avec un décalage dans le temps, la décomposition végétale augmente à son tour.
Le résultat serait un transfert net de CO2 depuis l’océan vers la végétation, en traversant l’atmosphère en ≈5 ans (durée de séjour);
L’intensification des échanges serait la cause de la hausse du taux de CO2 atmosphérique.
L’apport anthropique aurait seulement un peu majoré ce transfert et donc participé modestement à la hausse du taux atmosphérique.
La variation du δ13C serait le résultat des apports nets océan et anthropique (voir modèle mixte1 de la Fig.5b du 3/4)
Une étude complète et bien documentée, établie par C. Veyres est disponible à la référence (6)
D.4 Conclusions
- Le cycle du CO2des dernières décennies est largement inconnu ainsi que l’illustre la figure 1 (voir aussi ici); Le cycle est malheureusement complexe : le présent article en 4 parties correspond à ≈ 25 pages;
- Si les sorties sont bien à peu près proportionnelles au taux de CO2 dans l’atmosphère, alors les évolutions récentes du CO2 sont principalement naturelles;
- Indépendamment du modèle MP, il est raisonnable de considérer l’océan intertropical comme le moteur principal : nous obtenons alors un cadre général pour les évolutions depuis 1958 en considérant le modèle MPO. Ce modèle satisfait l’ensemble des observations et corrélations développées dans les articles 1/4 et 2/4. et résumées à la Fig.1;
- Comme tout modèle, le modèle MPO est provisoire. Il devra être corrigé, par exemple si les sorties ne sont pas du tout proportionnelles au taux, si la durée de séjour est très variable au cours du temps, si les échanges « Autres » sont importants (micro-organismes, lithosphère etc.);
- Notre tendance naturelle à l’anthropocentrisme nous pousse à imaginer spontanément le schéma de type Ptolémée de la Fig.7a. Le schéma fonctionnel de la Fig.7b constitue alors un changement copernicien de point de vue.
Références
1 Mesures du taux de CO2et variation annuelle ESRL NOAA Earth System Research Laboratory.
2 Rapport isotopique Carbon Dioxide Information Analysis Center iso-sio CDIAC.
3 Emissions anthropiques Fossil-Fuel CO2 Emissions CDIAC.
4 Croissance végétale https://www.nature.com/articles/nclimate3004 ou bien https://www.nature.com/articles/nature22030
5 Mesures du carbone dans l’océan Pmel NOAA Calcul pression partielle Takahashi
6 Cycle du carbone: Camille Veyres Herman Harde Edwin Berry
7 Dans le résumé pour les décideurs B.5 en page 12 on peut lire:
“This results in cumulative anthropogenic emissions of 555 [470 to 640] GtC. {6.3}
Of these cumulative anthropogenic CO2 emissions, 240 [230 to 250] GtC have accumulated in the atmosphere, 155 [125 to 185] GtC have been taken up by the ocean and 160 [70 to 250] GtC have accumulated in natural terrestrial ecosystems (i.e., the cumulative residual land sink)”
Dans la Fig.7a, le triangle xx’ correspond donc à 555 GtC, le triangle x’ correspond à 240 GtC, enfin le triangle x correspond à (155 + 160) GtC.
Les valeurs de x et x’ sont ad hoc. L’Institut Ptolémée pour la Culpabilité du Carbone (IPCC) innove seulement dans le domaine de la géométrie: les épicycles (circulaires au Moyen Âge) prennent ici la forme de triangles.
8 La feuille de calcul « CO2 MPO » met en forme les données d’observations, expose les modèles MP, estime quelques ordres de grandeurs.
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