Influence des zones chaudes océaniques

par JC Maurin, Professeur agrégé de physique

La partie 1/3 de l’article a présenté la légère différence de concentration du CO₂ atmosphérique entre hémisphères Nord et Sud. La partie 2/3, à partir d’une corrélation entre 1980 et 2020 et en exploitant les données de concentration de 13 observatoires, a proposé une relation empirique reliant vitesse de croissance globale du CO₂ dans l’atmosphère [1] et ‘température’ (anomalie de température UAH) [2].

Cette partie 3/3 décrit brièvement deux des interprétations possibles pour cette corrélation. Un éclairage partiel est apporté grâce aux données de concentration disponibles pour la vaste zone chaude océanique « West Pacific Warm Pool ».

La concentration du CO₂ dans l’atmosphère, notée [CO₂], s’exprime en ppm (1 ppm = 0,0001 %). Sa variation au cours du temps, notée d[CO₂] /dt, correspond à sa vitesse de croissance. Afin de s’abstraire des influences saisonnières, cette vitesse est évaluée avec dt = 12 mois, elle est désignée dans l’article par croissance annuelle (ppm/an), tandis que ‘température’ correspond à l’indicateur UAH LT 6.0.

La grande variabilité 1980/2020 de la croissance annuelle du CO₂ dans l’atmosphère démontre que les flux de carbone entrant/sortant de l’atmosphère ne sont pas constants. En effet, la croissance annuelle correspond au bilan net sur l’année de tous les flux : flux naturels entrants/sortants et flux anthropique (voir fig. 2).

Entre année froide 92/93 et année chaude 97/98, la croissance annuelle globale passe de 0,73 ppm/an à 3,24 ppm/an, soit un écart +2,51 ppm/an (2/3 fig.3b), tandis que les émissions anthropiques présentent un écart de + 0,24 ppm/an (2/3 fig.2b) → l’influence anthropique est donc faible (< 10%) pour ces 2 transitoires. Plus généralement, sur la totalité de l’intervalle 1980-2020, y a-t-il quasi-absence de corrélation entre croissance annuelle et émissions anthropiques pour les changements transitoires ?

1.  Les changements transitoires sont principalement naturels

Pour examiner cette corrélation entre changements transitoires, on doit enlever les tendances de long terme = trend.

Sur la corrélation de séries temporelles ‘detrended’, le lecteur peut consulter cet article‌.
Le lecteur peut aussi examiner le travail très complet (Munshi 2017), réalisé à partir des données MLO (ici fg.5) mais aussi à partir de prélèvements (flask) sur l’ensemble du globe (ici fig.12) [3].

La figure ci-dessous présente les 3 étapes qui permettent d’établir la quasi-absence de corrélation entre changements transitoires (émissions anthropiques versus croissance annuelle du CO₂ atmosphérique).

Au contraire, après soustraction des tendances de long terme, il persiste encore une corrélation entre ‘température’ et croissance annuelle (ici). En résumé, après soustraction des tendances de long terme, il y a bien corrélation entre ’température’ et  vitesse de croissance mais pas entre émissions anthropiques et vitesse de croissance.

Pour les tendances de long terme, la figure 1 ne permet pas d’exclure un lien éventuel entre vitesse de croissance et émissions anthropiques. Toutefois, on parvient à retrouver l’évolution 1980/2020 de la concentration (≈+74 ppm) à partir de la relation empirique élaborée sur 2 transitoires (2/3 § 4.2). Ceci indique que la tendance de long terme dépend principalement des flux naturels.

  2.  Les interprétations sont multiples et hasardeuses

Entre 1980 et 2020, la corrélation entre vitesse de croissance et ‘température’ semble donc surtout la conséquence de changements dans les flux naturels. De façon schématique, ces flux naturels correspondraient essentiellement (pour les 40 ans entre 1980 et 2020) aux échanges de carbone (à travers l’atmosphère) entre 2 compartiments : Hydrosphère et Biosphère. 

Tous les flux naturels 1,2,3,4 sont susceptibles d’être influencés par la ‘température’, mais certains peuvent-ils avoir une influence prépondérante dans cette corrélation ?
Parmi les multiples interprétations possibles, les paragraphes suivants décrivent deux interprétations courantes, selon que l’on privilégie l’influence des flux Biosphère (3 et 4) ou bien celle des flux Hydrosphère (1 et 2).

2.1   Interprétation ‘Biosphère’

Les organisations liées à l’ONU (OMM/WMO, GIEC/IPCC) privilégient l’interprétation suivante :

a) Les variations transitoires de la vitesse de croissance seraient influencées par l’indice ENSO [2] plutôt que par la température, même si les deux sont souvent liés. (AR6  § 5.212  «… show a close relationship with the El Niño–Southern Oscillation (ENSO) cycle » voir Fig.5.6b).

b) Ces variations transitoires seraient principalement la conséquence des variations des flux 3 et 4 (Biosphère / Atmosphère). (AR6 § 5.212  « …with large interannual and sub-decadal variability dominated by the land sinks »  voir Fig.5.11). La justification est la suivante : les phénomènes ENSO (El Niño/La Niña) modifieraient fortement la pluviosité et donc les flux Biosphère. Cette justification se base surtout sur des modélisations qui seraient capables d’estimer les flux naturels avec une précision suffisante [3].

c) L’évolution de long terme 1980/2020 (trend CO₂ atmosphérique) serait exclusivement causée par les émissions anthropiques. L’influence ENSO/température sur les flux naturels ne s’exercerait que sur les transitoires mais pas sur la tendance de long terme.

2.2  Interprétation ‘Hydrosphère’

a) Cette interprétation admet la corrélation entre vitesse de croissance du CO₂ atmosphérique et ’température’ [2].

b) Cette corrélation serait principalement la conséquence de l’influence de la ‘température’ sur les flux 1 et 2  (Hydrosphère / Atmosphère).  La justification est la suivante : lors d’un transitoire, les variations des flux Biosphère/Atmosphère (3 et 4) se compenseraient largement.

En revanche, les variations transitoires des flux Hydrosphère/Atmosphère (1 et 2) ne s’équilibreraient pas car la physico-chimie des carbonates marins [4] implique une plus forte sensibilité au-dessus de 20°C (flux 1 → zones chaudes qui dégazent) qu’au- dessous de 10°C (flux 2 → zones froides qui absorbent).

c) L’évolution de long terme 1980/2020 (trend CO₂ atmosphérique) serait principalement causée par les flux naturels (essentiellement le flux 1 = dégazage océanique).

2.3  The science is settled ?

•  Les interprétations présentées ci-dessus ne sont pas les seules à envisager, pour la corrélation observée depuis 40 ans entre vitesse de croissance et ‘température’.
•  La représentation des flux naturels (fig. 2) comme étant essentiellement issus de 2 compartiments (Hydrosphère, Biosphère) est très schématique, même pour l’intervalle 1980/2020.
•  Les grandes incertitudes sur les flux naturels (ici ou là) ne permettent pas de déterminer si certains sont dominants pour la corrélation. Ces incertitudes rendent donc hasardeuse toute interprétation.

On peut néanmoins apporter un éclairage partiel en examinant les zones chaudes océaniques :peuvent-elles avoir une influence significative ?

3.  A la recherche de l’influence des zones chaudes océaniques

3.1 Observations versus ‘settled science’

• Le scientifique optimiste, qui pense avoir bien compris un phénomène, aura tendance à privilégier sa modélisation.
  Le scientifique moins optimiste se contentera d’une approche empirique basée sur les observations disponibles, et il privilégiera les observations directes les plus fiables.

•  A défaut de modéliser, on propose de comparer les observations issues de 2 regroupements :

– Un premier groupe de 13 observatoires, initialement utilisés dans les parties 1/3 et 2/3 de l’article.

– Un second groupe comprenant 17 observatoires : 8 sont communs avec le premier groupe et 9 autres sont représentatifs d’une zone chaude océanique. La zone chaude sera la « West Pacific Warm Pool », pour laquelle on dispose de prélèvements (air samples in flasks) effectués à partir de navires (Pacific Observatory Cruise = POC) [5].  

3.2  Les deux groupes d’observatoires

4.  Comparaison des profils concentration/latitude

Afin de faciliter la lecture, il est préférable d’avoir pris connaissance du paragraphe 2 du 1/3.

Pour le groupe de 17 observatoires, on rapporte la concentration moyenne sur 12 mois consécutifs lors de 3 années (froide/normale/chaude).

On trace le profil concentration/latitude, c’est-à-dire l’écart de concentration de chacun des 17 observatoires avec la moyenne sur les 17 observatoires, lors de chacune des 3 années. Ce profil est comparé à celui du groupe initial de 13 observatoires.

Remarques

• L’ordonnée 0 n’est pas la même pour les figures 4b et 4c car les moyennes sont différentes (13 observatoires versus 17 observatoires).
  
• La moyenne, pour chacune des 3 années est plus élevée pour le groupe des 17 observatoires que pour le groupe des 13 observatoires initiaux. Les 9 sites « West Pacific » remplaçant 5 des 13 observatoires initiaux caractérisent donc probablement une forte émission de CO₂ dans cette zone océanique.

• Pour l’hémisphère Nord, le profil « West Pacific » (Fig. 4b) suggère deux zones émissives nettes de CO₂ : autour de 60°N – 80°N et autour de 0°N – 30°N.

5.  Comparaison des croissances annuelles

Afin de faciliter la lecture, il est préférable d’avoir pris connaissance du paragraphe 3 du 2/3.
Le tableau ci-dessous rapporte les croissances annuelles (vitesse de croissance) lors d’une année froide et lors d’une année chaude. 

Le tableau de la figure 5a permet de représenter la croissance annuelle en fonction de la latitude pour le groupe 17 observatoires et de comparer avec le groupe 13 observatoires.

Remarques

• La vitesse de croissance dans un observatoire est peu influencée par la ‘température’ si ses 2 points représentatifs (année chaude/froide) sont proches de la ligne pointillée verte (exemple MAA). Elle est très sensible à la température dans le cas contraire (exemple POC20).

• Dans la zone West Pacific (points jaunes fig.5b), les variations rapides avec la latitude sont peut-être un indice du caractère très local du dégazage.

• En comparant les croissances annuelles moyennes du groupe 13 observatoires versus le groupe 17 observatoires, on en déduit que les 9 sites « West Pacific » sont plus sensibles à une hausse de « température » (3,47 ppm/an vs 3,24 ppm/an) comme à une baisse de ‘température’ (0,68 ppm/an vs 0,73 ppm/an).

• La vaste zone océanique « West Pacific Warm Pool », lors d’un transitoire chaud ou d’un transitoire froid, doit donc être particuliérement réactive. On peut voir là un argument (basé sur l’observation et non sur la modélisation) en faveur d’une influence significative des zones chaudes océaniques dans la corrélation vitesse de croissance/température.

6.  Conclusions communes 1/3, 2/3, 3/3.

Les conclusions ci-après sont basées sur les mesures modernes 1980/2020, à savoir :
– [CO2] → différence d’absorption IR (infra-rouge) avec un étalon (précision ≈ ± 0,05%)  [1].
– ‘température’ = indicateur UAH LT 6.0 → température de brillance déduite de la luminance via observations satellites (précision < 0,1%) [2].

1. Les mesures modernes montrent sur plus de 40 ans une corrélation entre ‘température’ et d[CO₂] /dt. A contrario, les archives glaciaires avaient imposé l’idée d’une corrélation entre  ‘température’ et [CO₂] : une interprétation favorisée par la faible résolution temporelle des archives glaciaires.
   
2. Les changements transitoires des émissions anthropiques versus vitesse de croissance du CO₂ atmosphérique ne sont pas corrélés. En revanche, les changements transitoires de ‘température’ versus vitesse de croissance du CO₂ atmosphérique sont corrélés.
   
3. Il existe une faible différence Nord/Sud pour la concentration du CO₂ atmosphérique : en 2020, [CO₂] à Point Barrow en Alaska est ≈ 1,3 % plus élevée qu’au pôle Sud. Cette différence augmente entre 1980 et 2020, mais cette augmentation est 2,5 fois moindre que celle des émissions anthropiques.
   
4. La ‘température’ influence fortement la vitesse de croissance du CO₂ atmosphérique par l’intermédiaire des flux naturels. Cette influence est plus grande au Nord qu’au Sud, ce qui constitue une explication partielle de la différence de concentration Nord/Sud.
   
5. Les zones chaudes de l’océan semblent émettrices nettes de CO₂ vers l’atmosphère. Dans ces zones chaudes, la vitesse de croissance de [CO₂] est très fortement influencée par la ‘température’. Pour ces 2 observations, la physico-chimie des carbonates marins et la loi de Henry [4] peuvent constituer une base d’explication.
   
6. Les flux naturels restent très mal connus : la prudence est donc de mise pour interpréter la corrélation vitesse de croissance vs ‘température’. En effet, les flux Biosphère (végétation, microorganismes dans les sols) semblent aussi influencés par la ‘température’, ainsi que le suggèrent les fortes variations saisonnières de la concentration dans l’hémisphère Nord.
   
7. La relation empirique croissance annuelle globale = d([CO₂])/dt ≈ 3,33 * [ (UAH LT 6.0) + 0,65 ] est élaborée avec les données de 13 observatoires, lors de 2 transitoires pendant lesquels les émissions anthropiques sont presque constantes. Cette même relation permet aussi d’estimer (à 4 % près) l’évolution 1980/2020 de la concentration globale du CO₂ dans l’atmosphère. Un résultat similaire existe avec l’indicateur de température RSS TLT 4.0.
   
8. L’évolution 1980/2020 de la concentration globale du CO₂ dans l’atmosphère semble donc principalement causée par les flux naturels, sous l’influence de la ‘température’. Ce résultat contredit l’hypothèse des organisations liées à l’ONU (OMM/WMO, GIEC/IPCC) selon laquelle les émissions anthropiques seraient la cause des évolutions du CO₂ dans l’atmosphère.

Les conclusions concernent les 40 ans de mesures modernes 1980/2020.
L’utilisation de valeurs globales (‘température’ et croissance annuelle) n’est pas idéalement adaptée pour des phénomènes essentiellement locaux.

REFERENCES

1    Dioxyde de carbone
Concentrations selon NOAA/ESRL 
Concentrations selon Scripps CO₂ program 
Concentrations selon cdiac   
Emissions anthropiques selon Global Carbon Budget 
Données [CO2], issues de prélèvements (flask) pour 90 sites

2     Températures, ENSO
Anomalie de température UAH 6 : https://www.nsstc.uah.edu/data/msu/v6.0/tlt/uahncdc_lt_6.0.txt
Température moyenne océan :      https://svs.gsfc.nasa.gov/3652
Indice ENSO Multivarié :                https://psl.noaa.gov/enso/mei/

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AR6 chapitre 5

4    Physico-chimie des carbonates marins
Follows, Ito, Dutkiewicz 2005 : On the solution of the carbonate chemistry system in ocean biogeochemistry models
Calculatrice pCO2 : https://biocycle.atmos.colostate.edu/shiny/carbonate/
Loi de henry : https://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_de_Henry

5    Annexes
Le fichier POC.zip fournit les 9 séries de données originales pour la zone West Pacific (consulter également Readme surface flask).
Les tableurs « Treize observatoires.xls » et « Neuf observatoires West Pacific.xls » traitent les données d’observations;
Le tableur «UAH_Profils_Croissances .xls » met en forme les observations des 13 observatoires.