Effet Bombe et Modèles du GIEC

par J.C. Maurin, Professeur agrégé de Physique

Les prévisions du climat sont générées par des modèles informatiques. Leurs concepteurs pensent pouvoir décrire l’état moyen de l’atmosphère en 2100, en prenant comme principale donnée d’entrée, le taux futur de CO₂ qui constituerait donc le ‘bouton de commande’ du climat.

Il y a deux étages de modélisation : on commence par prévoir le taux de CO₂ en 2100 avec des modèles sélectionnés par le GIEC (ces modèles « IRF » du GIEC sont l’objet de l’article).
Cette prévision constitue ensuite l’entrée du second étage, à savoir les modèles types « échanges radiatifs » ou « effet de serre » qui ne sont pas traités ici (mais on peut consulter ceci).
Le présent article ( qui est la suite de deux autres ici et ici) compare la réponse impulsionnelle théorique de ces modèles « IRF » avec la réponse impulsionnelle observée du ¹⁴CO₂ (effet Bombe).

Partie 1/3 de l’article (Carbone 14 et effet Suess)

Partie 2/3 de l’article (Carbone 14 et effet bombe)

1. Modèles théoriques IRF pour le CO₂ anthropique 

Les modèles utilisés par l’organisme intergouvernemental GIEC sont des fonctions dites « IRF » (IRF= Impulse Réponse Transfert) qui comportent une demi-douzaine de paramètres.

• Fonctions de transfert

Figure 1a.  Fonctions de transfert [8]. Elles sont construites pour retrouver, à partir des seules émissions anthropiques (en rouge), la croissance du CO₂ atmosphérique mesurée à  Mauna Loa depuis 1958 (courbe verte).

Un modèle simplifié de fonction de transfert consiste à calculer le cumul des émissions (∑ émissions anthropiques = courbe noire Fig. 1a), puis à l’adapter : c’est-à-dire à en prendre environ la moitié, (le GIEC désigne cette proportion ad hoc par le terme « airborne fraction »), ensuite à décaler de 314 ppm afin de retrouver [CO2] (courbe verte Fig.1a).
Ce modèle simple de fonction de transfert s’écrit donc  [CO₂] = 314 + 55% ∑ émissions anthropiques. Le rapport AR 4 [5] indique une « airborne fraction » de 60%.

• Fonctions IRF

Le GIEC donne la fonction de transfert indirectement, sous la forme de réponse impulsionnelle IRF (par transformation de Laplace de la fonction de transfert). Les fonctions IRF effectivement utilisées par le GIEC sont indiquées dans le rapport WG1 AR4 [5] et sont reproduites à la Fig.1b.

 

Figure 1b. Les fonctions IRF du GIEC  (voir article de F. Joos 2013)  [5]. Ces fonctions traduiraient la réponse de l’atmosphère à un ajout brusque de CO₂, autrement dit, elles sont aussi des réponses impulsionnelles. Ces fonctions utilisent des sommes d’exponentielles et une demi-douzaine de paramètres. Les exponentielles modéliseraient les échanges avec divers réservoirs, les paramètres reflèteraient la vitesse des échanges et la taille des réservoirs.

Y a-t-il équivalence entre les fonctions IRF et la thèse d’une croissance exclusivement anthropique pour le CO₂ ?

 

Figure 1c.  [5] cf. Joos 2013  et  [8]  cf. Convolution. En effectuant un produit de convolution entre émissions anthropiques et fonction IRF (ici Bern 2.5), on retrouve la croissance du CO₂ dans l’atmosphère.

On constate donc que les fonctions IRF permettent bien de satisfaire la thèse du GIEC, à savoir que la hausse du CO₂ atmosphérique serait entièrement causée par les seules émissions anthropiques.

Cette thèse d’une croissance du CO₂ exclusivement  anthropique constitue la véritable contrainte d’élaboration des modèles IRF. Le paragraphe suivant montre que cette contrainte conduit  à considérer des réservoirs et des vitesses d’échanges irréalistes.

2. Comparaison des modèles IRF GIEC versus observations ¹⁴CO₂

Les observations de Δ¹⁴C  permettent d’avoir  la réponse de l’atmosphère à un ajout presque instantané (1961-1963) de ¹⁴CO₂ (ici Fig.2).
Les modèles IRF du GIEC correspondraient à la réponse théorique de l’atmosphère à un ajout instantané de CO₂ anthropique.
La comparaison directe (Fig. 2a) entre les 2 réponses impulsionnelles est donc fondée.

Figure 2a.  [8] [5]  IPCC AR4 et F. Joos 2013. Comparaison modèle IRF GIEC CO₂ (courbe rouge → Bern 2.5) [5] versus observations ¹⁴CO₂ à Wellington
(courbe rose → voir Fig.5b ici).

La Figure 2a nous indique que :

– La décroissance est bien plus rapide pour les observations que pour le modèle IRF, ce qui signifie des échanges plus rapides pour ¹⁴CO₂ que pour le modèle IRF.

– Les niveaux atteints 50 ans après l’impulsion sont très différents, ce qui signifie une taille apparente plus grande pour les réservoirs ¹⁴CO₂ que pour le modèle IRF GIEC (voir § 3 ici).

Les schémas A et B de la Fig 2b permettent l’interprétation des courbes de la Fig. 2a.

Figure 2b (voir § 3 ici). Les modèles IRF du GIEC (en rouge) sont proches du schéma A, alors que les observations sur Δ¹⁴C depuis 1965 (en rose) sont proches du schéma B.

• Les échanges sont-ils lents pour un réservoir majeur tel l’océan Pacifique ?

 

Figure 2c. Dilution ¹⁴C dans le Pacifique intertropical [6] Guilderson 2012.
Avant 1952, pour l’océan, on estime Δ¹⁴C ≈ -50 ‰  (voir ici). Dans l’océan, la croissance de Δ¹⁴C s’effectue entre 1960 et 1970, donc en 10 ans. Vers 1995, les concentrations en carbone 14 se sont égalisées entre océan et atmosphère, soit seulement 30 ans après le maximum de 1965.

• Le modèle IRF du GIEC correspond à des réservoirs dont la taille est comparable à l’atmosphère (55% versus 45% à la Fig. 2a). Mais les observations montrent que ¹⁴CO₂ se répartit dans des réservoirs au moins 3,6 fois plus grands que l’atmosphère (voir Fig.5b et 5c ici).

Les autres réservoirs sont-ils vraiment de taille comparable à l’atmosphère? Examinons un réservoir majeur tel l’océan Pacifique.

Figure 2d.  Le ¹⁴C dans l’océan Pacifique [6] WOCE  ici. 

L’océan contiendrait environ ≈ 50 fois plus de CO₂ que l’atmosphère, et sa profondeur moyenne est 3800m.
Une couche d’épaisseur 3800/50 = 76m correspondrait donc à la quantité totale de CO₂ de l’atmosphère. Selon le modèle IRF du GIEC, les réservoirs qui échangent avec l’atmosphère depuis 50 ans seraient de taille comparable: le carbone 14 en provenance de l’effet Bombe devrait alors être présent dans l’océan sur une profondeur ≈ 76 m.
La carte correspond à une modélisation à partir d’observations (profondeur 200 m) entre 1990 et 1996. En seulement 30 ans, le ¹⁴C issu de l’effet Bombe s’est largement diffusé dans l’océan Pacifique sur une profondeur > 200 m.   (Avant 1952, on estime Δ¹⁴C ≈ -50 ‰. voir ici).

3. Conséquences des observations« effet Bombe » 

Discussion 

Les observations portent sur ¹⁴CO₂ alors que les modèles IRF du GIEC concernent le CO₂ anthropique, donc essentiellement ¹²CO₂.
Quelles sont les différences entre les 2 molécules ?
¹⁴CO₂ n’est pas stable, mais la décroissance radioactive en 50 ans n’est que de 0,6%.
¹⁴CO₂  et ¹²CO₂ différent par leur masse mais le fractionnement isotopique est inférieur à 10%.

La décroissance radioactive ou le fractionnement isotopique ne constituent pas une explication suffisante pour les grandes différences (Fig.2a) entre les observations sur ¹⁴CO₂  et les modèles GIEC du CO₂.

Depuis Galilée, lorsqu’il y a désaccord, on juge préférable de modifier la théorie pour l’adapter aux observations : que devrait-on faire pour concilier les modèles théoriques du GIEC avec les observations « effet Bombe » ?
Il faudrait utiliser des échanges plus rapides avec des réservoirs plus grands, ce qui aura pour effet de rapprocher les modèles IRF du GIEC (Fig.1b) des observations (Fig.5b ici).

Les figures 3a et 3b illustrent la conséquence d’échanges plus rapides avec des réservoirs plus grands.

 

 

Figure 3a. [8]  Croissance de [CO₂] à Mauna Loa entre 1958 et 2015 (courbe verte). Entre 1958 (314 ppm) et 2015 (400 ppm), la croissance de [CO₂] est de 86 ppm.

L’augmentation de la taille des réservoirs entraînerait une proportion ≈ 155 / 715 ≈ 22% pour le CO₂ anthropique restant dans l’atmosphère (courbe rouge).
Une deuxième estimation utilise la durée de séjour (Fig.4 ici) : le CO₂ anthropique présent dans l’atmosphère correspondrait au cumul anthropique des 10 années précédentes (courbe marron).
Une troisième estimation (courbe noire) correspond à la convolution des émissions anthropiques avec l’effet Bombe (corrections Suess + industrie nucléaire Fig.5b ici). [8 ] cf. Convolution).

Pour retrouver la totalité de la croissance du CO₂ mesurée à MLO (en vert), il faut alors compléter par des apports nets non anthropiques, c’est-à-dire naturels (surface bleue). La croissance depuis 1958 (+86 ppm) serait alors mixte : en partie naturelle et en partie anthropique.
Notons que, par le passé, le taux de CO₂ a largement varié naturellement (ici).

Une représentation alternative ou complémentaire à la Fig.3a consiste à tracer la variation annuelle (ppm/an) du CO₂ en fonction de la date (ici).
La figure 3b propose une interprétation de cette variation annuelle ou growth rate (la variation est positive, c’est donc une croissance).

Figure 3b. Variation annuelle ou growth rate (courbe verte) [8] cf.onglet Growth rate. La courbe verte représente la différence du taux de CO₂ d’une année sur l’autre. La croissance dépasse +3 ppm/an lors des épisodes El Niño de 1998 et 2016.

La surface totale sous la courbe verte correspond à [CO2]. Dans cette surface, on distingue la part anthropique (surface rouge) et la part naturelle (surface bleue). La somme des deux donne la courbe verte, c’est-à-dire la variation annuelle (ou croissance annuelle).
La part anthropique (surface rouge) est en augmentation, mais elle varie peu, alors que la part naturelle (surface bleue) varie fortement. Notons qu’en 1982, 1992 et 1996, la part naturelle est nulle, voire négative.
Cette part naturelle (surface bleue) est  corrélée à la température de surface de l’océan intertropical (courbe pointillée noire). Une tentative d’explication est proposée ici § D.2.

Le premier article (ici) a montré qu’une « airborne fraction » ≈ 22%, ou bien une durée de séjour ≈ 10 ans, permet de concilier l’effet Suess de 1950 avec les observations Δ¹⁴C  ≈ -15 à 25%  (voir ici § 6).
Une croissance mixte (anthropique et naturelle) de [CO₂] s’accorde également avec les observations de δ¹³C  (voir ici § C.3.1).
Avec l’effet Bombe, il existe donc trois types d’observations indépendantes suggérant une croissance mixte pour le CO₂ atmosphérique.

4. Conclusions

• Dans la mesure où ¹²CO₂ et ¹⁴CO₂ ont des comportements voisins, les observations « effet Bombe » montrent que les modèles théoriques sélectionnés par le GIEC, utilisent des réservoirs trop petits et qui échangent trop lentement avec l’atmosphère lors des 50 dernières années.
• L’augmentation de la taille des réservoirs et de la vitesse des échanges, rapprocherait ces modèles IRF du GIEC des observations pour « l’effet Bombe » mais aussi pour l’effet Suess de 1950 (ici) ainsi que pour δ¹³C  (ici § C.3.1).
  Ces modifications, conséquences de ces trois observations, entraîneraient de facto l’abandon d’une origine exclusivement anthropique pour la croissance du CO₂ atmosphérique.
• La modélisation du cycle du carbone est encore pleine d’incertitudes (ici) car les échanges de CO₂ sont très mal connus, en dehors de l’entrée anthropique (ici § A.5).
  Il est donc difficile d’estimer la répartition  anthropique / naturelle dans les évolutions du CO₂ atmosphérique depuis 1958.
• On peut surtout s’interroger sur la possibilité de prévoir la concentration du CO₂ en 2100 : les émissions anthropiques futures sont incertaines et surtout la partie naturelle est largement inconnue et imprévisible. Cette partie naturelle peut même devenir négative d’ici 2100.
  Or, les prévisions du climat en 2100, publiées par l’organisme intergouvernemental GIEC, sont justement basées sur la concentration future de CO₂ …

 

Epilogue

« The world is expected to invest around US$ 90 trillion in infrastructure over the next 15 years » (ici ).
Telles sont les dépenses, indispensables, selon l’organisme intergouvernemental La Banque Mondiale (BIRD), afin d’éviter une croissance trop importante du CO₂ atmosphérique d’ici 2100.

Pour donner au lecteur la mesure des 90 000 000 000 000 $, vraisemblablement ponctionnés sur l’ensemble des contribuables, il convient d’utiliser un exemple.
Si un contribuable, qui perçoit le salaire minimum, (il ne travaille pas dans un organisme intergouvernemental), a consacré 10 minutes à la lecture de cet article, la banque mondiale aura dépensé dans ce laps de temps, l’équivalent de 10 000 ans de salaire minimum (10 000 ans, c’est la durée qui nous sépare de la dernière glaciation).

Cet exemple peut inciter le contribuable à une lecture plus rapide (c’est vain : les taxes ne changeront pas), ou au contraire à une lecture lente et attentive (c’est risqué : il pourrait s’imaginer que les prévisions du climat en 2100 sont plutôt des prédictions, peut-être même des prophéties).

Partie 1/3 de l’article (Carbone 14 et effet Suess)

Partie 2/3 de l’article (Carbone 14 et effet bombe)

Références

1. Propriété du carbone 14 :  Fiche IRSN ;   Radiocarbon Determination

2.   Variabilité naturelle et anthropique pour ¹⁴C :

– H.E. Suess, « Radiocarbon Concentration in Modern Wood», Science, vol. 122, n^o3166,‎1955,  (DOI 10.1126/science.122.3166.415-a)
– Stuiver & Quay 1981  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0012821X81900406?via%3Dihub
– Tans, De Jong &Mook1979 https://www.nature.com/articles/280826a0
– P. Jean-Baptiste, M. Paterne 2003 DOI: 10.105l/radiopro:2003017

3. Emissions anthropiques : CDIAC.

– [CO₂] dans l’atmosphère ftp://aftp.cmdl.noaa.gov/products/trends/co2/co2_annmean_mlo.txt
– [CO2] avant 1958   ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/icecore/antarctica/law/law2006.txt

4. Données ¹⁴CO₂  New Zealand  :  ftp://ftp.niwa.co.nz/tropac/co2/14co2/

Données ¹⁴CO₂  Austria :  https://cdiac.ess-dive.lbl.gov/trends/co2/cent-verm.html

Turnbull 2017 :  https://www.atmos-chem-phys.net/17/14771/2017/acp-17-14771-2017.pdf

5. Thèse du GIEC :

AR4 WG1 Chap 2  page 139  « The relationship between increases in atmospheric CO2 mixing ratios and emissions has been tracked using a scaling factor known as the apparent ‘airborne fraction’, defined as the ratio of the annual increase in atmospheric CO2 to the CO2 emissions from annual fossil fuel and cement manufacture combined (Keeling et al., 1995). On decadal scales, this fraction has averaged about 60% since the 1950s.

AR5 WG1 Ch6 box 6.1 page 472 https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/WG1AR5_Chapter06_FINAL.pdf 

2013. Joos 2013 Multimodèles https://www.atmos-chem-phys.net/13/2793/2013/acp-13-2793-2013.pdf

6.  Carbone 14 dans l’océan Pacifique :

WOCE (World Ocean Circulation Experiment)  http://whp-atlas.ucsd.edu/pacific_index.html

http://whp-atlas.ucsd.edu/pacific/atlas_text/WHPAtlas_Vol2_Pacific_Introduction.pdf (voir xi, xii et xiii)

Guilderson 2012 https://e-reports-ext.llnl.gov/pdf/636052.pdf

Druffel 1987 Bomb radiocarbon in the Pacific 

Mahadevan  2000  An analysis of bomb radiocarbon trends in the Pacific

7. Articles connexes :

Herman Harde 2019   http://article.esjournal.org/pdf/10.11648.j.earth.20190803.13.pdf

Herman Harde 2017   http://edberry.com/SiteDocs/PDF/Climate/HardeHermann17-March6-CarbonCycle-ResidenceTime.pdf

J.Munshi 2016  Dilution of atmospheric radiocarbonCO2 by fossil fuel emissions

Edwin Berry 2019  http://www.sciencepublishinggroup.com/journal/paperinfo?journalid=298&doi=10.11648/j.ijaos.20190301.13

Edwin Berry 2018   https://edberry.com/blog/climate-physics/agw-hypothesis/contradictions-to-ipccs-climate-change-theory/

Saurer Cherubini BonaniSiegwolf  2003  https://pdfs.semanticscholar.org/50ba/cb7e4ee2400cf47409675585da409e604040.pdf

J.C. Turnbull, H. Graven and N.Y. Krakauer  https://nirkrakauer.net/papers/Turnbull_etal_2016.pdf

Caldeira, Rau & Duffy 1998   https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/1998GL900010

Levin Hesshaimer 2000    Radiocarbon A unique tracer of global carbon cycle dynamics

Camille Veyres 2016   Sur les réservoirs avec une sortie auto-adaptative et le cycle du carbone.

8. La feuille de Calcul  « Carbone 14 Modèles GIEC » met en forme les données d’observations. Le répertoire « Convolution » contient les codes de calcul utilisés dans l’article.