Fr-fr adulte carte 15 forçage radiatif

Carte adulte #15 : Forçage radiatif

Le forçage radiatif est un indicateur employé par les scientifiques pour mesurer l'effet réchauffant ou refroidissant d'un facteur donné sur le système terre/atmosphère. C'est l'écart généré par ce facteur entre l'énergie absorbée et l'énergie émise par la terre, qui provoque un réchauffement global (forçage positif) ou un refroidissement (forçage négatif). Il mesure la perturbation causée par un facteur sur l'équilibre thermique.

Explications

Le forçage radiatif mesure l'effet sur le climat d'un facteur donné en termes de réchauffement ou de refroidissement global par rapport à l'équilibre thermique.

Quand la température de la terre est à l'équilibre, l'énergie rayonnée vers l'espace et l'énergie reçue par la terre est en quantité égale (conformément à loi de conservation de l'énergie). Le bilan thermique est alors nul et la température est stable. Si un facteur vient déséquilibrer ce bilan, la terre se réchauffe ou se refroidit. Le forçage radiatif permet par exemple de savoir que la concentration en CO2 ou la quantité d'aérosol, dans un contexte donné, se traduisent par une certaine quantité d'énergie en plus ou en moins par rapport à l'équilibre. Il est mesurée en Watt par mètre carré (W/m2) au niveau de la surface de séparation conventionnelle entre l'atmosphère et l'espace.

Au moment où la carte a été édité, le GIEC annonçait un déséquilibre thermique de 2,8 W/m2, ce qui signifie que l'énergie du système terre/atmosphère présente un excédent de 2,8 J par seconde (2,8 W) et par m2 sur toute sa surface.

Sur le graphique principal, on voit les différentes composantes du forçage radiatif de 1750 à nos jours (en variation par rapport à la situation d'équilibre de 1750: forçage radiatif = 0) :

• dans la partie du haut, les effets réchauffants (forçage radiatif positif)
• dans la partie du bas, les effets refroidissants (forçage radiatif négatif)

L'effet de serre (CO₂ + Other WMGHG (autres GES) + Trop O₃ (ozone troposphérique)) représente un forçage positif de 3,8 $W/m^{2}$ . Il est donc dans la partie supérieure du graphique.

Les aérosols (Effet direct + effet indirect) et les volcans et le changement d'affectation des sols ont un effet refroidissant, et sont donc dans la partie inférieure du graphique.

Pour plus de détail sur ce graphique, voir le détail poste par poste en fin de page.

Le graphe secondaire de droite représente le forçage radiatif sur deux siècles et demi (historique et projections). Dans le 6e rapport du GIEC, le forçage radiatif vaut 2,8 $W/m^{2}$. Les valeurs du forçage en 2100 ont donné leur nom aux 5 scénarios du GIEC (SSP1-1.9 ; SSP1-2.6 ; SSP2-4.5 ; SSP3-7.0 ; SSP4-8.5). On retrouve les couleurs de ces scénarios dans les graphiques des cartes n°5, 11, 15, 21, 22 et 24.

Pour plus de détail sur ce graphique, voir la fiche thématique sur les scénarios RCP.

Conseils pour l'animation

• Cette carte est à enlever pour la version simplifiée du jeu (de même que les cartes 10 - 15 - 41 et 42).
• Avec les ptéropodes et coccolithophores, cette carte est celle qui marque le plus les participants. Il est important de bien l'expliquer. Une façon de la dédramatiser est de dire que le forçage Radiatif est juste une mesure.
• Pour expliquer cette carte, on peut reprendre la métaphore de la carte "Effet de serre". D'un coté, la couverture autour de la Terre s'épaissit, c'est l'effet de serre, donc on accumule en énergie. D'un autre coté, la pièce se refroidit, ce sont les aérosols, on perds en énergie. Que se passe-il ? Fait-il plus chaud ou moins chaud sous la couette ? Le forçage radiatif est simplement la mesure de l'impact des deux. On voit que l'effet de serre est plus important, donc dans l'ensemble, l’énergie s'accumule sous la couette.
• Le nom de la carte peut faire peur, mais il manifeste simplement un rayonnement qui a été modifié. Renommer cette carte permet de la simplifier. On pourrait l'appeler "Rayonnement modifié par l'homme sur la Terre" ou "Rayonnement forcé"
• Avec un public qui est en demande d'explications techniques, on pourra poser la question suivante : si toutes les émissions anthropiques étaient stoppées d'un coup ? pour pouvoir répondre à cette question, il faut avoir une bonne idée des temps de résidence des différents gaz dans l'atmosphère (ci-dessous). La réponse est donc : avec la disparition des aérosols additionnels, le forçage va augmenter dans un premier temps, puis avec la disparition du méthane additionnel, le forçage va diminuer et enfin on va obtenir un forçage stabilisé.
  • CO₂ : demie vie de 100 ans
  • le méthane : demie vie de 12 ans
  • les aérosols : environ 3 mois !
• On peut aussi assimiler le forçage radiatif à un thermostat de lieu d'habitation, depuis l'usage des énergies fossiles, le thermostat n'a pas cessé d'augmenter et il faudra obtenir le zéro émission net pour stabiliser ce thermostat.
• On peut lire ici une synthèse des cartes 10, 15 et 14.

Correction

Causes

• Aérosols
• Effet de serre additionnel

Conséquences

• Bilan énergétique

Autres liens possibles

Autres causes

• Fonte de la banquise et déforestation : Quand la banquise fond, une surface blanche est remplacé par une surface bleu marine, qui à un albédo plus faible, donc absorbe plus d'énergie. Quand la forêt est coupé et remplacé par une prairie, c'est l'inverse, on remplace une surface sombre (les feuillages), par une surface claire (la prairie). Au total l'artificialisation des sols a un effet refroidissant sur le climat.

Pour aller plus loin

La terre reçoit de l'énergie du Soleil (flux jaune de 340 $W/m^{2}$) et en réémet vers l'espace par réflexion (flux jaune de 100 W/m²) et sous forme d'infrarouges (flux rouge de 239 $W/m^{2}$). En temps normal, la terre est en équilibre thermique et sa température est constante.

Représentation schématique des flux énergétique avec et sans l'influence des nuages.

On appelle forçage radiatif tout ce qui lui fait quitter cet équilibre thermique, que ce soit d'origine naturelle (soleil, volcans) ou anthropique (aérosols, GES).

Attention : on a simplifié la définition à des fins pédagogiques. Une définition rigoureuse serait la suivante : Le forçage radiatif est la mesure du déséquilibre entre l'énergie qui arrive chaque seconde sur Terre et celle qui repartirait si la température était restée fixe depuis 1750. Comme la température de la terre a augmenté entre temps, le delta entre les échanges de chaleur instantanés a diminué. De la même façon, en 2050, dans le scénario SSP1-2.6, le forçage sera de 2,6 $W/m^{2}$, mais la température se sera stabilisée, ce qui veut dire que le delta entre l'énergie entrante et sortant sera nul.

Points clés

• La carte n°15 laisse croire qu’il arrive 2,8 $W/m^{2}$ d’énergie de plus qu’il n’en sort, à chaque instant. Il n’en est rien ! Cette définition est celle du « bilan radiatif » et sa valeur est presque nulle : il entre autant d’énergie qu’il n’en sort (ou alors 0,8$W/m^{2}$ maximum pour prendre en compte le temps de mise à l’équilibre à cause du réchauffement). Dans le rapport du GIEC, le forçage radiatif est le déséquilibre de flux d’énergie qui existerait si on avait interdit à la surface de la Terre (ou des océans) de se réchauffer par rapport aux valeurs qui existaient en 1750. Mais la surface de la Terre s’est réchauffée (d’environ 1°C) et le « bilan radiatif », à ne pas confondre avec le forçage radiatif, est presque nul. La légende de la figure 8.18 page 699 du 5è rapport du GIEC, au verso de la carte n°15, doit se comprendre comme le flux d’énergie qui ne serait pas restituée à l’espace si la surface de la Terre étaient restée bloquée à sa température de 1750. Comme le bilan radiatif est nul, ce flux d’énergie, appelé « forçage radiatif », est celui qui a réchauffé la Terre.

• Il existe une manière simple et graphique d'expliquer le forçage radiatif en reprenant l'image de la carte effet de serre. Notons les flèches de la carte de 1 à 4 (1 pour réflexion, 2 pour insolation, 3 pour infrarouge, et 4 pour la flèche effet de serre). Rajoutons aussi une valeur 5 qui est la quantité d'énergie émise par rayonnement infrarouge à la surface de la Terre. Tout d'abord, il faut dire que chaque corps chaud émet un rayonnement. Plus le corps est chaud, plus il rayonne et renvoie de l'énergie. La quantité d'énergie qui arrive sur terre vaut 2-1. La quantité d'énergie qui sort de la Terre est 3. La quantité d'énergie émise par la terre en rayonnement infrarouge est 5. En 1750, ce qui rentrait valait ce qui sortait, donc 2-1 = 3. On est à l'équilibre. L'effet de serre s'amplifiant, la flèche 4 grossit. C'est la contribution de 2,8 $W/m^{2}$. D'une autre coté, les aérosols augmente la taille de la flèche 1. C'est le $-1$ car c'est de la quantité d'énergie qui n'arrive pas sur Terre.

• Pour comprendre le schéma précédent, on peut regarder les valeurs directement. Voici un tableau permettant de présenter les valeurs de bilan radiatif :

	Source	1750	2020
Recep. surface Terre	ESoleil	340	340
	ERefl	99	100
	ESurf	160	159
	EAbs	81	81
Émis surface Terre	EEmisSurf	502	504.3
	ESerre	342	345.8
	EEspace	241	240
Total surface Terre	ERechau	502	504.8
	ERefroi	502	504.3

Les valeurs présentés dans le tableau en $W/m^{2}$ sont les suivantes :

• E_Soleil : l'énergie émise par le soleil qui arrive au sommet de l'atmosphère
• E_Refl : l'énergie émise par le soleil renvoyé dans l'espace (effet albédo)
• E_Surf : l'énergie émise par le soleil qui arrive a la surface de la Terre
• E_Abs : l'énergie émise par le soleil absorbée par l'atmosphère
• E_EmisSurf : l'énergie émise par la surface de la Terre (rayonnement, évaporation, chaleur latente)
• E_Serre : l'énergie renvoyée sur Terre par l'atmosphère (effet de serre)
• E_Espace : l'énergie renvoyée vers l'espace par l'atmosphère
• E_Rechau : l'énergie qui réchauffe la surface de la Terre (E_Rechau = E_Surf + E_Serre)
• E_Refroi : l'énergie qui refroidit la surface de la Terre (E_Refroi = E_EmisSurf)

On a donc E_Rechau = E_Surf + E_Serre, et E_Refroi = E_EmisSurf. Le bilan radiatif sur la période 1971-2020 est E_Rechau2020 - E_Refroi2020 qui vaut donc $0.5W/m^{2}$, atteignant $0.8W/m^{2}$ sur la période 2006-2020, \tet le forçage radiatif vaut E_Rechau2020 - E_Refroi1750 qui vaut donc $2.8W/m^{2}$.

• Cette carte est à enlever pour la version simplifiée.

Détail poste par poste

Effets réchauffants

• Solar : l'intensité des tâches solaires varie dans le temps, avec une période de 11 ans. D'où les petites bosses.
• Black Carbon on snow : Le carbone noir est de la suie (voir carte aérosols) qui se dépose sur la neige qui est blanche, et par effet d'albédo, ça réchauffe.
• Contrails : Les Contrails sont les trainées des avions dues aux aérosols et à la vapeur d’eau présente et émise. Ces trainées sont comme des nuages artificiels (des cirrus, en l'occurrence, vu leur altitude et leur forme). A cette altitude, l'effet réchauffant des nuages (effet de serre) l'emporte sur l'effet refroidissant (albédo).
• Strat H₂O [stratospheric water vapor] : les avions brûlent du kérozène pour se propulser. Cette combustion, comme toute combustion, dégage du CO₂ et de la vapeur d’eau. D’habitude, on ne compte pas la vapeur d’eau dans l’empreinte carbone des hydrocarbures car ces molécules d’eau sont destinées à rester une à trois semaines dans l’atmosphère avant d’être lavées par la pluie. Concernant les avions, c’est un peu différent car ils volent à une altitude, proche de la stratosphère, où comme son nom l’indique, l’air est stratifié. Il n’y a pas de mouvements convectifs verticaux, presque pas de nuages, pas de pluie. Quand la vapeur d’eau est émise par les avions, elle va donc pouvoir rester là plusieurs années et à ce moment-là, on peut commencer à prendre en compte son effet de serre.
• Tropospheric O₃ [Tropospheric Ozone] : Ozone troposphérique. L’ozone, c’est comme le cholestérol : il y a le bon et le mauvais. Le « bon ozone », c’est l’ozone stratosphérique, c’est-à-dire celui de la couche d'ozone, très haut dans l’atmosphère. Il nous protège des rayons ultraviolets du soleil. Le « mauvais ozone », c’est l’ozone troposphérique, c’est celui qui est au niveau du sol, dans la « pollution à l’ozone », particulièrement dans les villes par forte chaleur. L’ozone est un gaz à effet de serre, donc comme nos activités en produisent, sa présence occasion un forçage radiatif positif. Pour autant, on ne parle pas de l’ozone dans les bilans carbone. C’est parce que nous n’en produisons pas directement. On produit par-contre des précurseurs de l’ozone comme les oxydes d'azote (NOx), les composés organiques volatils (COV), le méthane (CH₄) et le monoxyde de carbone (CO).
• Other WMGHG [Well Mixed GreenHouse Gases] : Les autres GES bien mélangés, ou GES à longue durée de vie (c’est synonyme car s’ils ont une longue durée de vie, alors ils ont le temps de bien se mélanger) sont principalement le méthane, le protoxyde d’azote et quelques autres gaz comme des HFC.
• CO₂ : On voit bien ici, que c’est quantitativement l’élément principal.

Effets refroidissants

• Land Use : Usage des sols. Par exemple, quand on déforeste, on remplace une surface vert foncé par une surface beige clair. Par effet albédo, ça refroidit la terre.
• Aer – Rad Int. [Aerosols – Radiation Interaction] : Interaction Aérosols-Rayonnement. C’est l’interaction des aérosols avec les rayons du soleil. En clair, c’est l’effet occultant. Ils empêchent les rayons du soleil d’arriver au sol. On dit aussi que c’est leur effet direct.
• Aer – Cld Int. [Aerosols – Clouds Interaction] : Intéraction Aérosols-Nuage. Les aérosols sont un noyaux de condensation des nuages qui permet leur fabrication. C’est l’effet indirect des aérosols.
• Volcanic : les grosses éruptions volcaniques envoient des cendres jusque dans la stratosphère. Les cendres qui sont dans la troposphère sont lavées par la pluie en une à trois semaines, mais celles qui atteignent la stratosphère restent beaucoup plus longtemps. En effet, comme son nom l’indique, dans la stratosphère, l’air est stratifié, c’est-à-dire stable verticalement. Il n’y a pas de mouvements convectifs verticaux, mais il y a des courants horizontaux très puissants, les jetstreams, qui mélangent ces cendres sur l’ensemble de la surface de la terre. Le résultat est un refroidissement de la terre pendant quelques mois à quelques années. Le phénomène est similaire à celui des aérosols, c’est juste que l’origine des aérosols n’est pas la même
• Stat. O₃ [stratospheric Ozone] : Ozone stratosphérique. L’ozone de la stratosphère, le « bon ozone », qui nous protège des ultraviolets. Comme la quantité d’ozone a diminué à cause des CFC (c’est le trou dans la couche d'ozone), l’effet de serre de cet ozone a logiquement diminué. C’est cela qu’on voit sur cette partie du graphe.

RCP

RCP est un sigle pour Representative Concentration Pathways. Ce sont les différents scénarios du 5è rapport de synthèse du GIEC.
Les RCP permettent d'estimer des concentrations de gaz à effet de serre et d'aérosols qui peuvent être convertis de manière approximative en $W/m^{2}$. Les équations approximatives qui permettent de faire cela existent pour le CO₂ (en log) le CH₄ (quadratique) etc. Le forçage n'est pas prescrit aux modèles de climat, on leur impose soit une évolution des concentrations (quand ils ne représentent pas le cycle du carbone) soit une évolution des émissions (dans ce cas ils calculent aussi les rétroactions du cycle du carbone). Le forçage est le résultat du calcul du code radiatif atmosphérique propre à chaque modèle qui n'est pas un calcul parfait (raie par raie) mais simplifié (bande par bande).

SSP

SSP est un sigle pour Shared Socioeconomic Pathways. Ce sont les différents scénarios du 6è rapport de synthèse du GIEC.

Contenus de vulgarisation du sujet

• Article : Forçage radiatif : à la base du changement climatique - par Bonpote
• Vidéo : LIVE Climat, énergie et nucléaire avec Le Réveilleur, 47ème minute